CN108052700A - 一种飞机平板类结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机平板类结构优化设计方法，属于飞机结构优化设计技术领域，其主要分为两个层次：第一个层次为拓扑优化，确定纵横向骨架的个数与位置，从而得到平板结构最优布局，避免常规方法人为经验的局限性；第二个层次为尺寸优化，确定平板结构的具体参数和尺寸，减少迭代次数，缩短设计周期，通过两级优化循环迭代，最后得到满足各种约束的设计方案，本发明的飞机平板类结构优化设计方法设计过程简单、设计结果可靠，大大减少设计时间。

Description

一种飞机平板类结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及飞机结构优化设计技术领域，具体而言，涉及一种飞机平板类结构分级优化设计方法。

背景技术

在飞机结构设计中，由于结构装配、对接或者功能(比如装卸货物等)的需要，机身往往布置比较大的平板结构。同时，机身气密设计是飞机机身结构设计很重要的一部分，在飞机承受巨大的气密载荷时，这类平板结构通常是飞机结构中最薄弱的部位，也是飞机设计过程中重点关注的部位。平板类结构设计的成功与否，甚至直接关系到飞机的安全性及舒适性。

对于平板类结构的设计，传统的设计方法是设计师根据经验公式及设计手册完成初步的布局设计及尺寸设计，然后根据严重载荷计算出结构的应力分布，根据应力分布调整结构尺寸，逐步迭代，得到最终的结构形式。传统的设计方法由于最初的布局设计与设计师的经验有关，限制了后面尺寸设计的效果，最终的结果往往结构重量较重，刚度偏小，应力较大，并且由于布局设计的不确定性，导致设计效率低下，严重影响设计周期。

因此，针对传统设计方法及现有技术水平的不足，需要一种新的平板类结构的分级优化设计方法，以降低结构重量，提高结构性能，缩短设计周期。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞机平板类结构优化设计方法，用以解决上述任一问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种飞机平板类结构优化设计方法，其包括：

1)根据飞机功能及设计要求，确定平板结构的外形尺寸，所述外形尺寸包括平板的长和宽，作为分级优化前的初始设计；

2)采用有限元数值分析方法，对初始的平板结构进行有限元网格划分，根据实际承载情况确定其边界条件；

3)以平板结构材料的分布为优化设计变量，在满足飞机气密载荷的前提下，以平板结构重量最小为目标函数；

4)采用拓扑优化方法，对上述目标函数及变量下的平板结构进行优化计算，根据计算结果，确定纵横向骨架的个数与位置，从而得到平板结构的初始布局；

5)根据平板结构的初始布局及设计要求，确定纵向骨架及横向骨架外形尺寸；

6)以平板结构底板、纵横向骨架的厚度及上下缘条的面积为设计变量，在满足飞机气密载荷的前提下，以平板结构重量最小为目标函数；

7)采用尺寸优化方法，对上述目标函数及变量下的平板结构进行优化计算，从而得到平板结构的最优尺寸及最优布局；

8)对完成的平板结构进行强度计算，根据计算结果，对设计的结构进行调整，获得保证结构性能的最终结构形式。

进一步的，步骤3中，材料分布满足约束结构材料体积分数比为0.1～0.5。

进一步的，约束结构材料体积分数比为0.3。

进一步的，若步骤4的拓扑优化计算结果得不到收敛结果，则修改步骤3的目标函数，直到得到收敛结果。

进一步的，若步骤8的强度计算不满足结果，则修改步骤6中的目标函数，直到得到平板结构的最优布局及最优尺寸。

本发明的飞机平板类结构优化设计方法涉及的分级优化方法分为两个层次：第一个层次为拓扑优化，确定纵横向骨架的个数与位置，从而得到平板结构最优布局，避免常规方法人为经验的局限性；第二个层次为尺寸优化，确定平板结构的具体参数和尺寸，减少迭代次数，缩短设计周期。两级优化循环迭代，最后得到满足各种约束的设计方案。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明的优化设计方法流程图；

图2为飞机上壁板俯视图；

图3是一种初始平板结构示意图；

图4是拓扑优化结果示意图；

图5是气密平板的实体模型示意图；

附图标记：

10-平板设计区域，20-飞机壁板，30-飞机端框；

1-平板底板，2-纵梁，3a-第一横梁，3b-第二横梁，3c-第三横梁，3d-第四横梁。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

如图1所示为本发明的飞机平板类结构优化设计方法的流程图，在本发明的飞机平板类结构优化设计方法包括：

1)根据飞机功能及设计要求，确定平板结构的外形尺寸，所述外形尺寸包括平板的长和宽，作为分级优化前的初始设计；

2)采用有限元数值分析方法，对初始的平板结构进行有限元网格划分，根据实际承载情况确定其边界条件；

3)以平板结构材料的分布为优化设计变量，材料分布满足约束结构材料体积分数比为0.1～0.5，优选地，约束结构材料体积分数比为0.3，在满足飞机气密载荷的前提下，以平板结构重量最小为目标函数；

4)采用拓扑优化方法，对上述目标函数及变量下的平板结构进行优化计算，根据计算结果，确定纵横向骨架的个数与位置，从而得到平板结构的初始布局；在此步骤中，若优化计算结果得不到收敛结果，则修改步骤3的目标函数，直到得到收敛结果；

5)根据平板结构的初始布局及设计要求，确定纵向骨架及横向骨架外形尺寸；

6)以平板结构底板、纵横向骨架的厚度及上下缘条的面积为设计变量，在满足飞机气密载荷的前提下，以平板结构重量最小为目标函数；

7)采用尺寸优化方法，对上述目标函数及变量下的平板结构进行优化计算，从而得到平板结构的最优尺寸及最优布局；

8)对完成的平板结构进行强度计算，根据计算结果，对设计的结构进行调整，获得保证结构性能的最终结构形式。在此步骤中，若强度计算不满足结果，则修改步骤6中的目标函数，直到得到平板结构的最优布局及最优尺寸。

如图2所示为飞机上壁板俯视图，图中所示需要设计的即为平板设计区域10，平板设计区域10属于飞机壁板20的一部分，飞机壁板20上具有一飞机端框30，飞机端框30上设有各种接口，或用于与机载设备插头电联，或用于与其他结构连接，平板设计区域10位于飞机端框30处，其成基本呈水平状态使用，机载设备等物品即可置于平板设计区域10上。

为设计出满足使用要求的平板设计区域10，本发明的优化设计方法包括：

1)根据飞机功能及图1所示飞机外形要求，确定如图2所示平板结构的外形尺寸。

在本实施例中，参照图2，飞机外形要求为长度a＝1000mm，宽度b＝1200mm，参照图3，确定的平板结构的外形尺寸为1000mm(长)×1200mm(宽)×50mm(厚度)。

2)对图3所示的平板结构进行有限元网格划分，根据实际承载情况确定其边界条件及约束，在本实施例中对平板结构施加的气密均布载荷为0.054MPa，其边缘施加固定。

3)以平板结构材料的分布为优化设计变量，约束结构材料体积分数比为0.3，在满足上述施加的飞机气密载荷的前提下，以平板结构重量最小为目标函数。

4)采用拓扑优化方法，对上述目标函数及变量下的平板结构进行优化计算，通过迭代计算最终得到收敛结果，并在考虑结构加工工艺的情况下，确定纵横向骨架的个数与位置，则拓扑优化结束。

得到的平板结构布局如图4所示，从图中可以看出，平板结构在横向(长度a)方向由处于中间部分的两根横梁及两侧部分的两根横梁构成，而在纵向(宽度b)方向上则具有基本一致的纵梁构成。

5)根据如图1所示飞机端框20高度以及平板结构的初始布局，确定纵向骨架及横向骨架的外形尺寸，即第一横梁高度3a为150mm，第二横梁3b高度为200mm，第三横梁3c高度为150mm,第四横梁3高度为100mm，第一横梁3a和第三横梁3c以第二横梁3b左右对称；纵梁高度相同均为80mm，得到如图5所示平板的实体模型。

需要说明的是，图4所示平板结构可理解为图4所示的拓扑优化结果图的旋转一定角度。

6)以平板结构的平板底板1、纵梁2和横梁3a～3d的厚度为设计变量，建立尺寸优化有限元模型，初始尺寸分别为：平板底板1、纵梁2、第一横梁梁3a至第四横梁3d等的厚度均为5mm。

7)采用尺寸优化方法，在满足飞机气密载荷的前提下，以平板结构重量最小为目标函数，通过迭代计算，得到收敛结果，从而得到平板结构的最优尺寸，优化后尺寸为：平板底板1的厚度为1.8mm，横梁2的厚度为2.56mm，第一横梁3a的厚度为1.95mm,第二横梁3b的厚度为2.15mm，第三横梁3c的厚度为1.95mm，第四横梁3d的厚度为1.86mm。

8)对完成的平板结构进行强度计算，根据尺寸优化后的计算结果满足强度要求。

本发明的飞机平板类结构优化设计方法涉及的分级优化方法分为两个层次：第一个层次为拓扑优化，确定纵横向骨架的个数与位置，从而得到平板结构最优布局，避免常规方法人为经验的局限性；第二个层次为尺寸优化，确定平板结构的具体参数和尺寸，减少迭代次数，缩短设计周期，通过两级优化循环迭代，最后得到满足各种约束的设计方案，设计过程简单、设计结果可靠，大大减少设计时间。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种飞机平板类结构优化设计方法，其特征在于，所述飞机平板类结构优化设计方法包括：

1)根据飞机功能及设计要求，确定平板结构的外形尺寸，所述外形尺寸包括平板的长和宽，作为分级优化前的初始设计；

2)采用有限元数值分析方法，对初始的平板结构进行有限元网格划分，根据实际承载情况确定其边界条件；

3)以平板结构材料的分布为优化设计变量，在满足飞机气密载荷的前提下，以平板结构重量最小为目标函数；

4)采用拓扑优化方法，对上述目标函数及变量下的平板结构进行优化计算，根据计算结果，确定纵横向骨架的个数与位置，从而得到平板结构的初始布局；

5)根据平板结构的初始布局及设计要求，确定纵向骨架及横向骨架外形尺寸；

6)以平板结构底板、纵横向骨架的厚度及上下缘条的面积为设计变量，在满足飞机气密载荷的前提下，以平板结构重量最小为目标函数；

7)采用尺寸优化方法，对上述目标函数及变量下的平板结构进行优化计算，从而得到平板结构的最优尺寸及最优布局；

8)对完成的平板结构进行强度计算，根据计算结果，对设计的结构进行调整，获得保证结构性能的最终结构形式。

2.根据权利要求1所述的飞机平板类结构优化设计方法，其特征在于，步骤3中，材料分布满足约束结构材料体积分数比为0.1～0.5。

3.根据权利要求2所述的飞机平板类结构优化设计方法，其特征在于，约束结构材料体积分数比为0.3。

4.根据权利要求1所述的飞机平板类结构优化设计方法，其特征在于，若步骤4的拓扑优化计算结果得不到收敛结果，则修改步骤3的目标函数，直到得到收敛结果。

5.根据权利要求1所述的飞机平板类结构优化设计方法，其特征在于，若步骤8的强度计算不满足结果，则修改步骤6中的目标函数，直到得到平板结构的最优布局及最优尺寸。