复合材料翼面结构布局优化设计方法研究

【摘要】：复合材料在机体结构中所占的比重已成为衡量大型客机先进性的重要指标之一。大型客机多采用单块式机翼结构,翼面加筋壁板为主承力构件,采用复合材料结构可以显著减轻重量,提升飞行性能。结构初步设计阶段确定的布局方案对结构的综合性能会产生决定性影响,因此对复合材料机翼结构布局优化方法的研究具有重要的工程意义。 为有效实现复合材料机翼结构的布局设计,本文提出一种基于结构承载效率模型的二级优化策略,以提升结构效率为目标优化机翼内部结构的位置关系。在系统级根据结构变形量调整刚度约束指标,子系统级根据指定的约束条件优化结构布局。将不同失效模式所对应临界载荷的接近程度作为评判结构承载效率的量化标准,以提升效率作为优化目标,保持了模型的连续性,更利于数值寻优。翼面加筋壁板利用等效刚度模型进行简化,其总体失稳载荷通过能量原理求得;分析了各向异性蒙皮局部失稳载荷与加强筋支持弹性之间的非线性关系,并以结构刚度匹配关系作为输入参数建立了一种通用近似模型。通过各种简化模型对结构力学特性进行评估,从而提高了运算效率。最后将文中总结的优化框架通过PCL二次开发程序集成在PATRAN的交互式环境中,并通过某大型机翼复合材料结构的布局优化算例,验证了近似模型的精度与本文方法的可行性。 本文的研究结果表明:等效刚度模型在复合材料加筋结构的总体稳定分析中可以取得满意的精度;复合材料加筋结构蒙皮的局部失稳特性与加强筋支持刚度的贡献以及蒙皮自身的各向异性程度呈非线性关系,并可以借助代理模型拟合;机翼结构布局二级优化框架以各种等效的简化模型为基础,以提升结构效率为优化目标,在不损失精度的条件下将离散的布局参数转换为连续变化的刚度参数,可以有效实现考虑稳定性的翼面结构布局优化,并提高了优化运算的可靠性,模型收敛较快,且具有理想的全局寻优能力。