CN105956342A - 一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，在飞行器预变形舱门设计中充分考虑预变形曲线形状和铺层形式对门结构的影响，将预变形设计引入到传统的飞行器门结构设计中，发挥门结构预加载后预紧力的锁紧作用，在减轻结构重量的同时保证了可靠性与使用性，同时，采用复合材料设计思想，结合预变形设计与复合材料铺层设计，利用全局优化算法得到全局最优的复合材料预变形门结构设计方案。

Description

一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及复合材料结构优化设计方法领域，特别涉及一种飞行器预变形设备舱门结构优化设计与复合材料设计方法；

背景技术

在航空航天设计中，保证设计要求的前提下使结构重量最轻一直是设计人员不懈的追求。随着复合材料的兴起，越来越多的结构采用复合材料取代以往传统的金属材料。与传统金属材料的均质性不同，复合材料的铺层设计、各向异性等独特的设计方法对设计人员提出了新的挑战。

飞行器设备舱门是航空结构中典型的结构之一，也是保证飞行器使用安全和机内工作人员安全的重要部件。在使用过程中，飞行器设备舱门主要受到内外压差及气动载荷的作用，需要具由足够的强度、刚度与可靠性以保持结构的使用性能与使用安全。如果设备舱不能保证强度、刚度与可靠性，将对飞行器的气动特性与气密性造成严重影响，甚至直接危及机内人员安全。

一方面，是航空航天领域迫切的减重需求不断敦促飞行器结构设计抛弃不必要的重量，另一方面，是为避免复杂的锁定机构带来的可靠性下降问题。故摈弃锁机构，采用预变形门取代，舱门关闭后，预变形结构受挤压产生预应力能够有效地减小舱门在受到外部载荷与惯性载荷作用下的弹性变形，起到锁紧舱门的作用。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，该方法在飞行器预变形舱门设计中充分考虑预变形曲线形状和铺层形式对门结构的影响，将预变形设计引入到传统的飞行器门结构设计中，发挥门结构预加载后预紧力的锁紧作用，在减轻结构重量的同时保证了可靠性与使用性，同时，采用复合材料设计思想，结合预变形设计与复合材料铺层设计，利用全局优化算法得到全局最优的复合材料预变形门结构设计方案。

本发明技术解决方法：一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，包括以下步骤：

(1)以门结构边框顶点位置为定位点，在门的预变形一侧设置特征点，用于拟合出符合基本设计需求的拟合曲线，选取特征点坐标为优化设计变量，记为x＝(x₁,x₂,…,x_k)；由于工程需要，作为设计变量的特征点位置有相对应的变化范围，即x∈[x^L,x^U]，可以依据经验或要求给出初始设计变量及各个设计变量的约束范围；

(2)基于上述特征点，带入所设计拟合曲线的方程组中，解出若干曲线上点的坐标，利用样条曲线连接各定位点建立近似拟合曲线，与其他预变形门形状的控制点一并构建起门结构几何模型，即读入包含特征点坐标的输入文件到软件中并生成几何模型的过程，上述过程即为读入过程；

(3)为将门结构几何模型进一步转化为可用于计算的有限元模型，基于CAE工具软件平台，对所述门结构几何模型进行材料设置、网格划分、建立接触、复合材料铺层的有限元建模过程，最终建立的舱门结构模型包括壳单元构成的门结构、梁单元构成的筋结构以及实体单元构成的纵向止挡三部分，上述过程即为建模过程。将由特征点坐标到建立有限元模型的过程进行参数化，参数化中所涉及的参数包括特征点坐标与复合材料铺层厚度；

(4)得到有限元模型后，分两步进行仿真计算以模拟结构实际使用中的变形，第一步为预加载过程，模拟预变形门合上时产生预应力的过程，第二步为实际工况加载过程，根据读入的载荷数据，模拟预变形门使用中受外载荷变形的过程，两步计算后可得到结果数据，对结果数据进行下一步的后处理，上述过程即为计算过程；

(5)利用CAE工具软件的后处理功能，提取上述加载计算的结果数据，对结果数据进行处理，得到与设计要求直接相关的指标数据，以结果文件的形式输出，上述过程即为输出过程；

(6)将整个读入、建模、加载、计算、输出过程编写并整合为APDL自动处理命令流文件，当各设计变量在给定约束范围内取值时，自动根据特征点位置和复合材料铺层厚度生成参数化的几何模型与有限元模型，并根据读入的载荷数据进行计算，输出相应的结果文件，建立APDL自动处理命令流文件是使读入、建模、加载、计算、输出过程可以被CAO工具软件调用，实现自动运行与处理，为下一步进行优化做准备；

(7)利用CAO工具软件调用CAE工具软件运行步骤(6)得到的APDL自动处理命令流文件，并控制(2)中读入的输入文件、(5)输出的结果文件的修改与读入，实现集成优化，建立相应的设计变量与约束变量，构建CAO工具软件中的优化模型；

(8)在优化模型中，以特征点坐标、复合材料铺层厚度为优化变量，以结构的强度即应变、刚度即工作载荷下变形后最大间隙作为约束，以结构重量最轻为优化目标，利用全局寻优算法即Pointer算法进行减重优化，可以实现在保证结构满足设计需要的前提下，对自锁定的复合材料预变形舱门结构进行减重。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明以复合材料预变形门结构形状和铺层厚度由优化设计变量，以结构质量最小为设计目标，以结构强度、刚度为约束条件，在保证结构使用要求的基础上实现了结构质量最小化。本发明中的读入、建模、计算、输出过程APDL命令流都是通过自编语句实现。相对于常规的飞行器舱门结构，本方法所采用的预变形门结构既能减轻结构重量、省去繁琐而降低可靠性的锁定机构，还可以满足飞行器结构实际的使用要求。考虑到工程实际中针对不同精度、不同尺寸的门结构对预变形的拟合精度与拟合要求有所差异，本发明采用的建立预变形门方法可以使用任意高阶的幂函数，从而拟合任意精度与任意形状的预变形曲线，拓展了本方法的适用范围。在设计中，针对复合材料这一新兴材料进行设计，使得比起通常的航空铝合金结构，本发明所涉及结构具有更大的轻量化优势。

附图说明

图1为本发明中复合材料预变形舱门结构参数化有限元模型示意图；

图2为本发明中CAO工具软件所建立优化模型示意图；

图3为本发明实施例优化过程中质量下降过程示意图；

图4为本发明的方法实现流程图。

具体实施方式

如图所示，本发明自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，包括以下步骤：

(1)以门结构边框顶点位置为定位点，在门的预变形一侧设置特征点，用于拟合出符合基本设计需求的拟合曲线。选取特征点坐标为优化设计变量，记为x＝(x₁,x₂,…,x_k)。由于工程需要，一般作为设计变量的特征点位置有相对应的变化范围，将设计变量的变化范围作为约束，即x∈[x^L,x^U]，通常可以依据经验或要求等条件给出初始设计变量及其约束范围。

(2)基于上述特征点，带入所设计拟合曲线方程组中，解出若干曲线上点的坐标，以三次曲线为例，经过定位点(0,0)与定位点(1120,0)，特征点(x₁,y₁),带入方程y＝c₁x+c₂x²+c₃x³得到如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}0=1120c_1+{1120}^2{c}_2+{1120}^3{c}_3\\ y_1=c_1{x}_1+c_2{x}_1^2+c_3{x}_1^3\\ 0=c_1+2c_2{x}_1+3c_3{x}_1^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

用矩阵表示为：

$\left[\begin{array}{c}0\\ y_1\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1120& {1120}^2& {1120}^3\\ x_1& x_1^2& x_1^3\\ 1& 2x_1& 3x_1^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{c}_1\\ c_2\\ c_3\end{array}\right]---\left(2\right)$

即可得到系数c＝(c₁,c₂,c₃)可由下式解出：

$\left[\begin{array}{c}{c}_1\\ c_2\\ c_3\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}1120& {1120}^2& {1120}^3\\ x_1& x_1^2& x_1^3\\ 1& 2x_1& 3x_1^2\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}0\\ y_1\\ 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

从而得到所设计拟合曲线的代数表达式，按一定间隔取其上若干点求出坐标作为定位点，以样条曲线依次连接各个定位点的方式建立近似拟合曲线，用预变形侧的边缘与其他三个直线边缘，得到门结构几何模型。

(3)基于上述门结构几何模型，在ANSYS软件中继续进行有限元模型建模，壁板的材料选用各向异性的T700复合材料，加强筋的材料选用各向同性的7050铝合金。壁板采用壳单元SHELL181，各加强筋采用梁单元BEAM188，梁单元在两个方向上分别采用工字梁和口字梁，纵向止挡采用实体单元SOLID185，进而建立有限元模型。

在壁板上进行复合材料铺层，铺层采用(45°/-45°/0°/90°)s的对称层合板铺层，厚度按总厚度均匀分配。对特征点坐标和复合材料铺层厚度分别设置参数，建立参数化有限元模型，最终建立的模型如图1所示，包括复合材料壁板、三个纵向工字加强筋和五个横向工资加强筋。

(4)进行加载计算，共分为两步。第一步利用纵向止挡将预变形门压平，模拟预变形门合上时产生预应力的过程，第二步读入气动载荷，模拟预变形门实际使用中受到外载荷变形的过程。

(5)使用CAE工软件对计算结果进行后处理，利用ANSYS的APDL命令流，提取加载计算过程的结果数据并进行处理，得到设计指定的约束参数与设计优化的目标参数，即预变形边缘最大间隙、壁板上复合材料最大第一主应变与最小第三主应变以及预变形门结构总质量，以结果文件的形式输出；

(6)将上述的整个读入、建模、加载、计算、输出过程编写并整合为APDL自动处理命令流文件，通过读入一组符合给定约束范围的设计方案的设计参数，可以自动根据特征点位置参数和复合材料铺层厚度完成参数化有限元建模过程，并根据读入的载荷文件进行两步计算，输出相应的结果文件；

(7)利用Isight软件，调用ANSYS程序运行上一步得到的APDL整合命令流文件，并控制读入文件、输出文件的修改与读入，实现Isight对整个建模计算输出过程的集成，在Isight中建立相应的优化变量、约束变量与目标函数，构建优化模型，优化模型如图所示，图中自上而下、自左而右依次为优化控制算法(Optimization1)、输入文件的修改(Edit_Inputfile)、ANSYS读入输入文件并运行APDL整合命令流(GoANSYS)、读入输出文件(Read_Outputfile)的优化流程。

(8)在优化模型中，以特征点坐标参数、复合材料铺层厚度参数为优化变量，以结果文件中的结构强度(应变)、刚度(工作载荷下门结构变形后最大间隙)为约束条件，以预变形门结构重量最轻为优化目标，采用Isight中的全局最优算法(Pointer算法)进行自锁定预变形复合材料门结构的减重优化，可以实现在保证结构满足设计需要的前提下，对自锁定的复合材料预变形舱门结构进行减重，优化过程中质量下降如图所示，横坐标为优化过程中迭代计算次数、纵坐标为每次迭代计算得到的质量，可以看到随着迭代次数增多、结构质量不断减轻直至收敛。

以上仅是本发明的具体步骤，对本发明的保护范围不构成任何限制；其可扩展应用于飞行器舱门结构优化设计领域，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)以门结构边框顶点位置为定位点，在门的预变形一侧设置特征点，用于拟合出符合基本设计需求的拟合曲线，选取特征点坐标为优化设计变量，记为x＝(x₁,x₂,…,x_k)；根据工程需要，作为设计变量的特征点位置有相对应的变化范围，即x∈[x^L,x^U]，依据经验或要求给出初始设计变量及各个设计变量的约束范围；

(2)基于上述特征点，带入所设计拟合曲线的方程组中，解出若干曲线上点的坐标，利用样条曲线连接各定位点建立近似拟合曲线，与其他预变形门形状的控制点一并构建门结构几何模型，即读入包含特征点坐标的输入文件并生成几何模型的过程，上述操作即为读入过程；

(3)为将门结构几何模型进一步转化为可用于计算的有限元模型，基于CAE工具软件平台，对所述门结构几何模型进行材料设置、网格划分、建立接触、复合材料铺层的有限元建模过程，最终建立的舱门结构模型包括壳单元构成的门结构、梁单元构成的筋结构以及实体单元构成的纵向止挡三部分，上述操作即为建模过程；将由特征点坐标到建立有限元模型的过程进行参数化，参数化中所涉及的参数包括特征点坐标与复合材料铺层厚度；

(4)得到有限元模型后，分两步进行仿真计算以模拟结构实际使用中的变形，第一步为预加载过程，模拟预变形门合上时产生预应力的过程，第二步为实际工况加载过程，根据读入的载荷数据，模拟预变形门使用中受外载荷变形的过程，两步计算后可得到加载计算的结果数据，对结果数据进行下一步的后处理，上述操作即为计算过程；

(5)利用CAE工具软件的后处理功能，提取上述加载计算的结果数据，对结果数据进行处理，得到与设计要求直接相关的指标数据，以结果文件的形式输出，上述操作即为输出过程；

(6)将整个读入、建模、加载、计算、输出过程编写并整合为APDL自动处理命令流文件，当各设计变量在给定约束范围内取值时，自动根据特征点位置和复合材料铺层厚度生成参数化的几何模型与有限元模型，并根据读入的载荷数据进行计算，输出相应的结果文件，建立APDL自动处理命令流文件是使读入、建模、加载、计算、输出过程通过CAO工具软件调用CAE软件实现自动运行与处理，为下一步进行优化做准备；

(7)利用CAO工具软件调用CAE工具软件运行步骤(6)得到的APDL自动处理命令流文件，并控制(2)中读入的输入文件、(5)输出的结果文件的修改与读入，实现集成优化，建立相应的设计变量与约束变量，构建CAO工具软件中的优化模型；

(8)在优化模型中，以特征点坐标、复合材料铺层厚度为优化变量，以结构的强度即应变、刚度即工作载荷下变形后最大间隙作为约束，以结构重量最轻为优化目标，利用全局寻优算法即Pointer算法进行减重优化，实现在保证结构满足设计需要的前提下，对自锁定的复合材料预变形舱门结构进行减重。

2.根据权利要求1所述的一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，使用幂函数作为拟合曲线，根据特征点的个数确定幂函数的阶次，将特征点坐标带入幂函数方程中构成方程组，反解出幂函数各阶系数的唯一解，利用已解出的幂函数上以一定间隔取点得到定位点，利用样条曲线连接各定位点建立近似拟合曲线，来近似替代拟合曲线建立模型。

3.根据权利要求1所述的一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将门所在面以壳单元划分网格并设定复合材料铺层以建立壳单元构成的门结构，将面上的线以梁单元划分网格并设置加强筋的几何参数以建立梁单元构成的筋结构，实体单元构成的纵向止挡部分依据预变形门边缘最高点位置与与门结构自动保持相对距离关系。

4.根据权利要求1所述的一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，利用纵向止挡压平预变形门模拟预变形门合上时产生预应力的力学过程，其中门上远离预变形一侧边缘模拟可转动不可移动的轴位置，门上预报形一侧边缘角点施加单向位移约束，与下压的纵向止挡共同模拟门关闭时合上的相对变形情况。