CN107563033A - 一种复合材料进气道的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料进气道的优化设计方法，涉及无人机复合材料进气道结构设计领域，包括以下步骤：S100.将进气道分为若干段，段数用N表示；S200.将步骤S100中第N段进气道根据加强筋数量分为若干种情况，根据约束条件对每种情况下的进气道的结构尺寸进行优化，得到使第N段进气道的重量最小时的截面尺寸；S300.根据步骤S200中截面尺寸，设计出所有满足工艺条件的复合材料的铺层顺序方案；S400.对步骤S300中每一种复合材料铺层顺序方案建立仿真计算模型，在满足约束条件的结果中，选择使进气道重量最轻的铺层顺序方案。本发明通过将进气道分为若干段，每段采用相同的设计方法，实现简化设计过程，缩短计算周期的效果。

Description

一种复合材料进气道的优化设计方法

技术领域

本发明涉及无人机复合材料进气道结构设计领域，具体的说，是一种复合材料进气道的优化设计方法。

背景技术

目前无人机的复合材料进气道结构优化设计方法主要有两种，第一种方法是以工程经验为基础，设计进气道结构布局型式，设计完成后对进气道结构做仿真计算，根据计算结果调整结构尺寸和铺层顺序。第二种方法是将进气道结构布局、结构尺寸和复合材料铺层参数作为独立的设计变量，建立一个循环迭代计算流程，首先对初始结构进行仿真分析，根据分析结果调整所有设计变量值，然后重复计算，在满足设计要求的情况下，以重量最轻为目的不断调整设计变量值，最终得到满足设计要求的最优结果。

第一种优化设计方法完全根据工程经验确定结构布局型式，设计出来的进气道结构重量完全取决于设计人员的技术水平。并且设计结果通常比较保守，会使进气道结构重量偏大，降低无人机的飞行性能。

第二种优化设计方法能够在最大程度上降低进气道结构重量，但是以整个进气道作为研究对象，设计过程复杂，计算周期很长。这种优化方法一般用于相关领域的学术研究，不适合在实际的工程设计上运用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料进气道的优化设计方法，用于解决现有技术中以整个进气道作为研究对象，设计过程复杂，计算周期长的问题。本发明通过将进气道分为若干段，每段采用相同的设计方法，实现简化设计过程，缩短计算周期的效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种复合材料进气道的优化设计方法，包括以下步骤：

S100.将进气道分为若干段，段数用N表示；

S200.将步骤S100中第N段进气道根据加强筋数量分为若干种情况，根据约束条件对每种情况下的进气道的结构尺寸进行优化，得到使第N段进气道的重量最小时，进气道的结构尺寸；

S300.根据步骤S200中进气道的结构尺寸，设计出所有满足工艺条件的复合材料的铺层顺序方案；

S400.对步骤S300中每一种复合材料铺层顺序方案建立仿真计算模型，在满足约束条件的结果中，选择使进气道重量最轻的铺层顺序方案。步骤S100中，进气道分段的目的在于，简化计算的数据量，缩短计算时间，提高效率；分段可以按照均匀长度来分，也可以按照进气道在无人机骨架上的安装位置来分。步骤S200中，第N段代表的是进气道上任意一段。将进气道分段，每一段的设计工作是一样的，一段进气道设计出来，其他段只需进行简单的重复工作即可，减少工作量，提高设计效率。所述约束条件是指进行截面尺寸优化的依据，例如强度条件，刚度条件。由于通过步骤S200计算得到的截面尺寸通常跟复合材料的标准规格尺寸不一致，因此设计复合材料铺层顺序时，应当使铺层顺序后的厚度大于或等于步骤S200中计算的最大截面尺寸。由于满足约束条件的铺层顺序有多个，因此为得到最优解，需要设计出所有满足工艺条件的铺层顺序。由于进气道是一个整体，所以每一段的铺层顺序一致，并且现阶段每一层复合材料的铺层角度只有0度、45度、-45度、90度四种，并且需要遵循复合材料铺层设计准则，例如整体铺层须对称于中性面同时遵循均衡性原则，因此满足条件的铺层顺序方案仅有4～5种，从而不会增加设计工作量。需要说明的是，相关设计准则在本领域内是现有技术，故在此不一一列举。

优选地，所述步骤S100中，根据进气道在无人机骨架上的安装位置将进气道分为若干段。根据无人机骨架安装位置是指，按照进气道与无人机骨架的连接位置分段，使分段清楚，防止段与段之间出现重叠的效果。

优选地，所述步骤S200中的尺寸优化包括以下步骤：

S210.简化设计变量，每段进气道结构尺寸参数均用加强筋的厚度t和加强筋的高度h表示；

S220.初始化第N段进气道的结构尺寸参数，加强筋的厚度t＝t₀，加强筋的高度h＝h₀；并计算第N段进气道的初始重量W₀；

S230.保持加强筋的高度h＝h₀，优化加强筋的厚度t为t_*，使第N段进气道重量最轻，为W_{min 1}；

S240.保持加强筋的厚度t＝t₀，优化加强筋的高度h为h_*，使第N段进气道重量最轻，为W_{min 2}；

S250.W_{min 1}和W_{min 2}满足条件|(W_{min 1}-W_{min 2})/W₀|<0.01，尺寸优化结束。

减少了设计变量，从而能够减少计算量，提高设计效率。步骤S230中优化加强筋的厚度t是指，在加强筋高度h为定值h₀时，根据约束条件与加强筋的厚度t的数学关系，得到满足约束条件的t_*，t_*使第N段进气道重量最轻。步骤S240中优化加强筋的高度h是指，在加强筋的厚度t为定值t₀时，根据约束条件与加强筋的高度h的数学关系，得到满足约束条件的h_*，h_*使第N段进气道重量最轻。值得说明的是h₀和t₀应当满足复合材料铺设的工艺条件，具体尺寸根据工艺条件决定，在本领域内为现有技术，在此不做详细说明。

优选地，还包括步骤S260，当W_{min 1}和W_{min 2}不满足条件|(W_{min 1}-W_{min 2})/W₀|<0.01时，重新初始化第N段进气道的结构尺寸参数，加强筋的厚度加强筋的高度其中d₁＝W₀-W_{min 1}，d₂＝W₀-W_{min 2}。重复步骤S220至S260。该步骤为迭代算法，实现利用计算机计算代替人工计算，提高设计效率，迭代计算能够得到精确地解，提高了设计精度。本领域技术人员应当理解，加强筋的厚度中，等号左边的t₀为新的需要带入步骤S230计算的初始值，等号右边的t₀为前一次计算的初始值；加强筋的高度中，等号左边的h₀为新的需要带入步骤S240计算的初始值，等号右边的h₀为前一次计算的初始值；

优选地，所述步骤S200和步骤S400中的约束条件为进气道的最大变形量小于复合材料许用变形量。由于在进气道设计中，主要是考虑符合材料的刚度，即抵抗变形的能力。因此只以进气道的最大变形量小于复合材料许用变形量作为约束条件，减少了强度约束条件，减少了设计计算。强度约束条件可以在优化完成后进行校核。

优选地，所述步骤S210中，进气道筒体的厚度等于加强筋厚度t的1.25倍，加强筋宽度等于加强筋高度h的0.6倍。当进气道筒体的厚度等于加强筋厚度t的1.25倍，加强筋宽度等于加强筋高度h的0.6倍时，加强筋的承载能力与进气道的承载能力基本相同，符合等强度原则，减少材料浪费。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过将进气道分为若干段，每段采用相同的设计方法，实现简化设计过程，缩短计算周期的效果；

(2)本发明通过简化设计变量，实现缩短设计计算周期的效果；

(3)本发明通过将进气道厚度转化为与加强筋厚度相关的参数以及将加强筋宽度转化为加强筋高度的参数，实现简化设计变量的效果。

附图说明

图1为进气道结构示意图；

图2为加强筋截面示意图；

图3为本方法流程图；

图4为尺寸优化流程图；

其中2-加强筋；6-进气道筒体。

具体实施方式

下面结合本发明的优选实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1-4所示，一种复合材料进气道的优化设计方法，包括以下步骤：

S100.将进气道分为若干段，段数用N表示；

S200.将步骤S100中第N段进气道根据加强筋2数量分为若干种情况，根据约束条件对每种情况下的进气道的结构尺寸进行优化，得到使第N段进气道的重量最小时，进气道的结构尺寸；

S300.根据步骤S200中进气道的结构尺寸，设计出所有满足工艺条件的复合材料的铺层顺序方案；

S400.对步骤S300中每一种复合材料铺层顺序方案建立仿真计算模型，在满足约束条件的结果中，选择使进气道重量最轻的铺层顺序方案。本实施例中，将进气道按照图1分为五段，每段进气道根据加强筋2数量分为五种情况，即第一种情况为该段只有一根加强筋2，第二种情况为该段只有两根加强筋2，依次类推，第五种情况为该段只有五根加强筋2；所述约束条件为应变约束条件即进气道的最大变形量小于复合材料许用变形量，数学表达式为ε_i≤ε_U；式中ε_i是指第i种情况下，该段进气道的实际变形量；i的范围为1～5。ε_U是指符合材料的许用变形量。

实施例2：

为更好的实施本发明，防止进气道每一段存在重叠，在实施例1的基础上，结合附图1-4，进一步地，所述步骤S100中，根据进气道在无人机骨架上的安装位置将进气道分为若干段。

实施例3：

为更好的实施本发明，提高设计效率，在实施例1的基础上，结合附图1-4，进一步地，所述步骤S200中的尺寸优化包括以下步骤：

S210.简化设计变量，每段进气道结构尺寸参数均用加强筋2的厚度t和加强筋2的高度h表示；

S220.初始化第N段进气道的结构尺寸参数，加强筋2的厚度t＝t₀，加强筋2的高度h＝h₀；并计算第N段进气道的初始重量W₀；

S230.保持加强筋2的高度h＝h₀，优化加强筋2的厚度t为t_*，使第N段进气道重量最轻，为W_min1；

S240.保持加强筋2的厚度t＝t₀，优化加强筋2的高度h为h_*，使第N段进气道重量最轻，为W_min2；

S250.W_min1和W_min2满足条件|(W_min1-W_min2)/W₀|<0.01，尺寸优化结束。

实施例4：

为更好的实施本发明，提高设计效率和设计精度，在实施例3的基础上，结合附图1-4，进一步地，还包括步骤S260，当W_min1和W_min2不满足条件|(W_min1-W_min2)/W₀|<0.01时，重新初始化第N段进气道的结构尺寸参数，加强筋2的厚度加强筋2的高度其中d₁＝W₀-W_{min 1}，d₂＝W₀-W_{min 2}，重复步骤S220至S260。

实施例5：

为更好的实施本发明，减少了设计计算，在实施例1的基础上，结合附图1-4，进一步地，所述步骤S200和步骤S400中的约束条件为进气道的最大变形量小于复合材料许用变形量。

实施例6：

为更好的实施本发明，使设计符合等强度原则，在实施例1的基础上，结合附图1-4，进一步地，所述步骤S210中，进气道筒体6的厚度等于加强筋2厚度t的1.25倍，加强筋2宽度等于加强筋2高度h的0.6倍。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合材料进气道的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100.将进气道分为若干段，段数用N表示；

S200.将步骤S100中第N段进气道根据加强筋(2)数量分为若干种情况，根据约束条件对每种情况下的进气道的结构尺寸进行优化，得到使第N段进气道的重量最小时，进气道的结构尺寸；

S300.根据步骤S200中进气道的结构尺寸，设计出所有满足工艺条件的复合材料的铺层顺序方案；

S400.对步骤S300中每一种复合材料铺层顺序方案建立仿真计算模型，在满足约束条件的结果中，选择使进气道重量最轻的铺层顺序方案。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料进气道的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S100中，根据进气道在无人机骨架上的安装位置将进气道分为若干段。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料进气道的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S200中的尺寸优化包括以下步骤：

S210.简化设计变量，每段进气道结构尺寸参数均用加强筋(2)的厚度t和加强筋(2)的高度h表示；

S220.初始化第N段进气道的结构尺寸参数，加强筋(2)的厚度t＝t₀，加强筋(2)的高度h＝h₀；并计算第N段进气道的初始重量W₀；

S230.保持加强筋(2)的高度h＝h₀，优化加强筋(2)的厚度t为t_*，使第N段进气道重量最轻，为W_min1；

S240.保持加强筋(2)的厚度t＝t₀，优化加强筋(2)的高度h为h_*，使第N段进气道重量最轻，为W_min2；

S250.W_min1和W_min2满足条件|(W_min1-W_min2)/W₀|<0.01，尺寸优化结束。

4.根据权利要求3所述的一种复合材料进气道的优化设计方法，其特征在于，还包括步骤：

S260，当W_min1和W_min2不满足条件|(W_min1-W_min2)/W₀|<0.01时，重新初始化第N段进气道的结构尺寸参数，加强筋(2)的厚度加强筋(2)的高度其中d₁＝W₀-W_min1，d₂＝W₀-W_min2。重复步骤S220至S260。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种复合材料进气道的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S200和步骤S400中的约束条件为进气道的最大变形量小于复合材料许用变形量。

6.根据权利要求3所述的一种复合材料进气道的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S210中，进气道筒体(6)的厚度等于加强筋(2)厚度t的1.25倍，加强筋(2)宽度等于加强筋(2)高度h的0.6倍。