简介
新浪博客
简介
先进复合材料具有比强度高、比刚度大、抗疲劳和可设计性等诸多优异性能，在飞机上逐渐得到广泛应用，采用先进复合材料已成为减轻飞机结构重量和满足飞机新功能的重要途径，相应的仿真优化技术也逐渐成熟。上海交通大学航空航天学院利用HyperMesh建立了翼盒结构的有限元模型，并利用OptiStruct对复合材料翼盒进行优化。整个翼盒设计优化过程包括三个阶段：自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化。优化结果表明，通过三个阶段的优化，在满足有关性能要求下大大减轻了翼盒结构的重量。
挑战
减轻飞机结构重量是飞机研制工作中的主要目标之一，因为飞机重量与性能及经济性关系密切。先进复合材料由于其比刚度和比强度高、抗疲劳和抗腐蚀性能好以及其可设计性等优良的力学性能，使其在航空、航天领域得到广泛应用，这促进了层合板优化设计技术的发展。层合板设计过程中典型的设计变量为铺层角度、铺层厚度和铺层顺序，但在许多工程应用中，纤维角的取值局限在一定范围内，如0° ±30° ±60° ±45°和90°等。机翼翼盒是机翼的主要承重结构，它不仅是保持飞机飞行的主要机翼结构，也承担着飞机油箱的工作。如何在限定铺层角度下依次优化设计铺层块、铺层数和铺层顺序，使得飞机翼盒结构在满足有关性能的要求下达到减轻重量的目的是设计人员关心的重要问题。
“在翼盒结构的设计中，质量是重要的设计指标，据有关研究表明，结构质量每增加 1kg，就会引起燃油及动力等总增加量在4.25倍以上。HyperMesh和OptiStruct为航天航空领域广泛使用的有限元建模及优化软件，对于复合材料结构的优化具有十分强大的能力。”——摘自2010HTC大会用户论文
解决方案
每架飞机拥有两个机翼翼盒，分别装配在左翼和右翼。在飞机总装过程中，机翼翼盒会被装配在飞机机身内部的中央翼盒上，组成一个非常牢固而又灵活的结构，承担着飞机起飞、巡航和着陆过程中大部分的重量和压力。
图1
图3 上翼面自由尺寸优化后的厚度
利用HyperMesh对翼盒进行网格划分，翼盒上下翼面蒙皮简化为平面，采用壳单元（CQUAD4）模拟，层合板材料为T800单向带，采用0°、±45°和90°四个超级层铺层，利用HyperLaminate对翼盒上下翼面进行铺层；5根梁与4根翼肋的腹板均采用壳单元（CQUAD4）模拟，凸缘均采用杆单元（CROD）模拟，材料均为铝合金（图2）。
基于OptiStruct优化设计方法包括三个阶段：第一阶段是自由尺寸优化，属于概念设计阶段；第二阶段是层组尺寸优化，属于系统设计阶段；第三阶段是层叠次序优化，属于详细设计阶段，满足各种性能要求下减轻重量。
在自由尺寸优化阶段考虑全局响应包括位移响应和质量响应，位移响应作为约束，质量响应作为目标；非强制的制造约束包括：单层厚度百分比要大于10%，以防任何方向的基体直接受载基体；单层厚度百分比要小于60%，以获得最好的挤压和旁路强度范围；自由尺寸优化后0° 、±45°和90°超级层以及总厚度如图3所示。自由尺寸优化后，翼盒结构的总质量减少了46.5%，设计区域（仅指上下蒙皮）的质量总质量减少了73.8%（图4）。 对各个超级层进行解析（图5）。考虑到工程实际，对形状不规则的形状进行裁剪，以便于制造（图6）。
图7 上翼面尺寸优化后的厚度
在铺层块尺寸优化考虑需要所有的设计响应和非强制的制造约束，确定规定角度下的铺层数，确立基本的铺层结构。本文中翼盒结构的设计相应和制造约束和自由尺寸优化阶段相同，通过改变每一个设计变量的上限值，最终确定翼盒结构中上下蒙皮的每一个铺层块的铺层数，从而得到总的铺层数，尺寸优化后
挑战
减轻飞机结构重量是飞机研制工作中的主要目标之一，因为飞机重量与性能及经济性关系密切。先进复合材料由于其比刚度和比强度高、抗疲劳和抗腐蚀性能好以及其可设计性等优良的力学性能，使其在航空、航天领域得到广泛应用，这促进了层合板优化设计技术的发展。层合板设计过程中典型的设计变量为铺层角度、铺层厚度和铺层顺序，但在许多工程应用中，纤维角的取值局限在一定范围内，如0° ±30° ±60° ±45°和90°等。机翼翼盒是机翼的主要承重结构，它不仅是保持飞机飞行的主要机翼结构，也承担着飞机油箱的工作。如何在限定铺层角度下依次优化设计铺层块、铺层数和铺层顺序，使得飞机翼盒结构在满足有关性能的要求下达到减轻重量的目的是设计人员关心的重要问题。
“在翼盒结构的设计中，质量是重要的设计指标，据有关研究表明，结构质量每增加 1kg，就会引起燃油及动力等总增加量在4.25倍以上。HyperMesh和OptiStruct为航天航空领域广泛使用的有限元建模及优化软件，对于复合材料结构的优化具有十分强大的能力。”——摘自2010HTC大会用户论文
解决方案
每架飞机拥有两个机翼翼盒，分别装配在左翼和右翼。在飞机总装过程中，机翼翼盒会被装配在飞机机身内部的中央翼盒上，组成一个非常牢固而又灵活的结构，承担着飞机起飞、巡航和着陆过程中大部分的重量和压力。
图1
图3 上翼面自由尺寸优化后的厚度
利用HyperMesh对翼盒进行网格划分，翼盒上下翼面蒙皮简化为平面，采用壳单元（CQUAD4）模拟，层合板材料为T800单向带，采用0°、±45°和90°四个超级层铺层，利用HyperLaminate对翼盒上下翼面进行铺层；5根梁与4根翼肋的腹板均采用壳单元（CQUAD4）模拟，凸缘均采用杆单元（CROD）模拟，材料均为铝合金（图2）。
基于OptiStruct优化设计方法包括三个阶段：第一阶段是自由尺寸优化，属于概念设计阶段；第二阶段是层组尺寸优化，属于系统设计阶段；第三阶段是层叠次序优化，属于详细设计阶段，满足各种性能要求下减轻重量。
在自由尺寸优化阶段考虑全局响应包括位移响应和质量响应，位移响应作为约束，质量响应作为目标；非强制的制造约束包括：单层厚度百分比要大于10%，以防任何方向的基体直接受载基体；单层厚度百分比要小于60%，以获得最好的挤压和旁路强度范围；自由尺寸优化后0° 、±45°和90°超级层以及总厚度如图3所示。自由尺寸优化后，翼盒结构的总质量减少了46.5%，设计区域（仅指上下蒙皮）的质量总质量减少了73.8%（图4）。 对各个超级层进行解析（图5）。考虑到工程实际，对形状不规则的形状进行裁剪，以便于制造（图6）。
图7 上翼面尺寸优化后的厚度
在铺层块尺寸优化考虑需要所有的设计响应和非强制的制造约束，确定规定角度下的铺层数，确立基本的铺层结构。本文中翼盒结构的设计相应和制造约束和自由尺寸优化阶段相同，通过改变每一个设计变量的上限值，最终确定翼盒结构中上下蒙皮的每一个铺层块的铺层数，从而得到总的铺层数，尺寸优化后