CN115358011B - 一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法 - Google Patents

一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，包括下列步骤：首先创建初始的乘客舱侧向二维模型，进行拓扑优化，得到乘客舱的最优拓扑构型；其次根据拓扑优化的结果，建立乘客舱三维桁架模型，对其进行刚度和稳定性校核，如果不符合，则对桁架尺寸进行修改并校核，得到乘客舱的三维桁架模型；之后以桁架的截面尺寸为参数进行尺寸优化；再根据尺寸优化的结果，调整桁架尺寸，并进行稳定性校核，如不符合则进行修改再校核直到符合，得到最终模型。通过本发明，减短了开发周期，降低了计算成本，在满足刚度和稳定性的基础上显著降低了乘客舱重量。

Description

一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法
技术领域
本发明属于结构设计与优化领域，具体地涉及一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法。
背景技术
随着世界经济的飞速发展，各大城市规模日趋扩大，道路交通也变得越来越拥挤，提高出行效率，缓解城市交通拥堵成为亟待解决的问题。
分体式飞行汽车分为飞行模块、乘客舱和地面行驶模块3部分，其中，乘客舱作为媒介，将飞行模块与地面行驶模块有效的结合起来。飞行模块与乘客舱的结合实现点对点的快速出行；乘客舱与地面行驶模块的结合实现与地面交通系统的有机结合。通过这种方式，可以全方位的利用城市空间，缓解城市道路交通拥挤问题。
由于乘客舱的结构强度直接影响乘客的安全性，因此乘客舱的结构设计尤为重要，然而目前市场上不存在已经量产的分体式飞行汽车，没有一套成熟的乘客舱结构设计方法，并且乘客舱的工况复杂，需要考虑来自飞行模块的冲击载荷，设计难度较大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，针对飞行模块的对接冲击载荷，通过结构设计和优化，在满足刚度及稳定性的条件下，降低乘客舱的质量，实现轻量化设计。
本发明的技术方案为：
所述一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，包括以下步骤：
步骤1：确定分体式飞行汽车乘客舱的侧面基本布局，并依据侧面基本布局创建乘客舱的侧面二维几何模型，设置模型材料属性与尺寸参数，并进行网格划分、设置网格单元类型，以及设置乘客舱的对接工况；所述侧面基本布局由整流外形、舱门安装位置和主承力立柱构成；
步骤2：对乘客舱的侧面二维几何模型设置拓扑优化的设计域，并建立目标函数和约束条件，进行拓扑优化；
步骤3：根据步骤2的拓扑优化结果，确定乘客舱侧面基本拓扑形式，在两个平行的侧面之间增加若干连接桁架结构，建立三维的乘客舱桁架模型；对三维乘客舱桁架模型中的桁架进行分组，设置每组桁架的截面尺寸，并设置乘客舱的对接工况；
步骤4：对步骤3建立的三维乘客舱桁架模型进行刚度与稳定性校核，如不满足刚度与稳定性要求，则增大刚度或稳定性不足的桁架截面尺寸，直到满足刚度与稳定性要求；
步骤5：对于经过步骤4刚度与稳定性校核后的三维乘客舱桁架模型，以每组桁架的截面尺寸为设计变量，整体结构质量最小为目标函数，刚度条件为约束函数，进行尺寸优化；得到优化后的三维乘客舱桁架模型各组桁架尺寸；
步骤6：对步骤5得到的优化后的三维乘客舱桁架模型进行稳定性校核，如不满足稳定性要求，则增大发生屈曲的桁架截面尺寸，直到满足稳定性要求，得到最终的乘客舱桁架模型结构方案。
进一步的，步骤1中，设置的乘客舱的对接工况包括：将对接冲击载荷简化为静力载荷，均布在侧面二维几何模型顶部对接处；在侧面二维几何模型底部约束所有平动和转动自由度。
进一步的，步骤2中，所述设计域为乘客舱舱门安装位置前侧以及后侧与整流外形包围的区域。
进一步的，步骤2中，采用拓扑优化方法为变密度法，目标函数为整体应变能最小，约束条件为模型的最终面积不超过给定的约束面积：其数学表达为：
find X＝(x1,x2,…,xn)T,xi∈[0,1],i＝1,2,…,n
min SE
s.t.A<fA0
式中，xi为设计域中每个单元的伪密度,n为设计域单元数量，SE为结构整体的应变能，A0为设计域的原始面积，A为每个迭代步中设计域的面积，f为给定的面积分数。
进一步的，步骤3中，设置的乘客舱的对接工况包括：将对接冲击载荷等效为静力载荷，取值为2倍的动载荷系数乘以飞行模块的重力，均匀布在乘客舱与飞行模块对接处的桁架上；乘客舱底部与地面模块对接处约束所有平动和转动自由度，乘客舱底部外围四点约束所有平动自由度。
进一步的，步骤3中，对三维乘客舱桁架模型中的桁架进行分组具体为：
第1组为连接乘客舱顶部与底部的立柱、第2组为舱门安装位置后侧立柱、第3组为舱门安装位置前侧支撑柱、第4组为乘客舱顶部以及底部的对接部位侧向梁、第5组为乘客舱顶部以及底部的纵向梁、第6组为乘客舱的后缘梁、第7组为乘客舱前缘梁、第8组为乘客舱后缘与舱门安装位置后侧支撑柱之间的梁、第9组为乘客舱前缘与舱门安装位置前侧支撑柱之间的辅助梁、第10组为在乘客舱前缘与舱门安装位置前侧支撑柱之间的纵梁、第11组为除第4组外，连接乘客舱两个侧面的其他侧向梁。
进一步的，步骤5中，尺寸优化的数学表达为：
find R＝(r1,r2,…,rm)T ri∈[rmin,rmax],i＝1,2,…,m
min M
s.t.Umax≤[U]
式中，ri为设计域中每组桁架的截面尺寸，m为桁架的分组数，rmin和rmax是尺寸约束上下限，M为结构的总质量，Umax为每个迭代步中结构最大位移，[U]为结构的许用位移。
有益效果
本发明针对分体式飞行汽车乘客舱，提出了相应的结构设计优化方法，将动力学问题简化为静力学问题，将二维模型的拓扑优化与三维模型的尺寸优化结合，减短了开发周期，降低了计算成本，能够在满足刚度和稳定性要求的基础上显著降低了乘客舱重量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明的分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法流程示意图；
图2：本发明的优化实例的乘客舱侧面二维有限元模型；
图3：本发明的优化实例的乘客舱侧面二维有限元模型拓扑优化的设计域；
图4：本发明的优化实例的拓扑优化结果；
图5：本发明的优化实例的乘客舱三维桁架模型的侧视图；
图6：本发明的优化实例的乘客舱三维桁架模型图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例的乘客舱结构设计与优化方法包括如下步骤：
步骤1：如图2所示，确定乘客舱的侧面基本布局，创建乘客舱的侧面二维几何模型，其中基本布局由前后方的整流外形、舱门安装位置和主承力立柱。为几何模型赋予均质实体截面尺寸，材料为铝，其弹性模量为70GPa，泊松比为0.3。进行网格划分，单元类型为平面应力单元，单元总数为11547。设置对接工况，包括：将对接冲击载荷简化为静力载荷，均布在二维模型顶部对接处，如图2中模型顶部黑色箭头；在二维模型底部约束所有平动和转动自由度，如图2中模型底部黑色三角形。
步骤2：对乘客舱的侧面二维几何模型设置拓扑优化的设计域，设置的设计域为乘客舱舱门安装位置前侧以及后侧与整流外形包围的区域，如图3的十字线填充部分，目标函数为模型总应变能最小，约束条件为设计域的最终面积不超过乘客舱舱门安装位置前侧以及后侧与整流外形包围的区域面积的30％，进行基于变密度法的拓扑优化：
find X＝(x1,x2,…,xn)T,xi∈[0,1],i＝1,2,…,n
min SE
s.t.A<fA0
式中，xi为设计域中每个单元的伪密度,n为设计域单元数量，SE为结构整体的应变能，A0为设计域的原始面积，A为每个迭代步中设计域的面积，f为给定的面积分数，在本实施例中，f的值为0.3。结果如图4所示。
步骤3：依据步骤2的优化结果，确定乘客舱侧面的基本拓扑形式，在两个平行的侧面之间增加若干连接桁架结构，从而建立如图5和图6所示的三维的乘客舱桁架模型，为几何模型赋予截面尺寸。
在本实施例中，截面材料为铝，设置弹性模量为70GPa，泊松比为0.3，密度为2.73g/cm3；剖面形状为圆形。
对模型划分网格，单元类型为梁单元，单元总数为671。设置对接工况。在本实施例中，根据对称、受力等条件，将桁架分成11组，为每组桁架设置单独的剖面半径。如图5和图6，第1组为连接乘客舱顶部与底部的立柱、第2组为舱门安装位置后侧立柱、第3组为舱门安装位置前侧支撑柱、第4组为乘客舱顶部与底部的对接部位的侧向梁、第5组为乘客舱顶部与底部的纵向梁、第6组为乘客舱的后缘梁、第7组为乘客舱前缘梁、第8组为乘客舱后缘与舱门安装位置后侧支撑柱之间的梁、第9组为乘客舱前缘与舱门安装位置前侧支撑柱之间的其他梁(不包括纵梁)、第10组为在乘客舱前缘与舱门安装位置前侧支撑柱之间的纵梁、第11组为连接乘客舱两个侧面的其他侧向梁。其中第1组至第10组半径如表1中第一行，第11组半径为5mm，不作为设计变量。
并设置对接工况包括：将对接冲击载荷等效为静力载荷，其值等于2倍的动载荷系数乘以飞行模块的重力，如图5和图6中模型顶部黑色箭头，均布在乘客舱与飞行模块对接处的桁架；如图5和图6中模型底部黑色三角形，乘客舱与地面模块对接处约束所有平动和转动自由度，如图5和图6中模型底部黑边白底三角形，乘客舱底部外围四点约束所有平动自由度。
步骤4：对步骤3建立的三维乘客舱桁架模型结构分别进行静力分析和屈曲分析，校核刚度与稳定性，如不满足刚度与稳定性要求，则对变形过大或出现失稳的桁架截面半径进行增大，直到满足刚度与稳定性要求。修改过后的模型各组截面半径见表1第一行，总质量为59.5kg。
步骤5：对于经过步骤4刚度与稳定性校核后的三维乘客舱桁架模型，以每组桁架的截面尺寸为设计变量，整体结构质量最小为目标函数，设置约束条件为模型的节点最大位移不超过5mm，各桁架截面半径不低于5mm且不超过30mm，选用序列二次规划法进行尺寸优化；
find R＝(r1,r2,…,rm)T ri∈[rmin,rmax],i＝1,2,…,m
min M
s.t.Umax≤[U]
式中，ri为设计域中每组桁架的截面尺寸，m为桁架的分组数，rmin和rmax是其尺寸限制，M为结构的总质量，Umax为每个迭代步中结构最大位移，[U]为结构的许用位移(变形)。
得到优化后的三维乘客舱桁架模型各组桁架尺寸；各组桁架截面尺寸见表1第二行，总质量为34.8kg。
步骤6：对步骤5得到的优化后的三维乘客舱桁架模型进行屈曲分析，校核稳定性，如不满足稳定性要求，则对发生失稳的桁架截面尺寸渐变式增大，直到满足稳定性要求，得到最终的乘客舱桁架模型结构方案，各组桁架截面尺寸见表1第三行，模型总质量为38.6kg。
通过拓扑优化，得到了乘客舱结构的基本构型；通过尺寸优化，在满足刚度与稳定性的条件下，与原模型相比，降低了35％的质量。
表1：
Figure BDA0003827726510000061
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：确定分体式飞行汽车乘客舱的侧面基本布局，并依据侧面基本布局创建乘客舱的侧面二维几何模型，设置模型材料属性与尺寸参数，并进行网格划分、设置网格单元类型，以及设置乘客舱的对接工况；所述侧面基本布局由整流外形、舱门安装位置和主承力立柱构成；
步骤2：对乘客舱的侧面二维几何模型设置拓扑优化的设计域，并建立目标函数和约束条件，进行拓扑优化；
步骤3：根据步骤2的拓扑优化结果，确定乘客舱侧面基本拓扑形式，在两个平行的侧面之间增加若干连接桁架结构，建立三维的乘客舱桁架模型；对三维乘客舱桁架模型中的桁架进行分组，设置每组桁架的截面尺寸，并设置乘客舱的对接工况；
步骤4：对步骤3建立的三维乘客舱桁架模型进行刚度与稳定性校核，如不满足刚度与稳定性要求，则增大刚度或稳定性不足的桁架截面尺寸，直到满足刚度与稳定性要求；
步骤5：对于经过步骤4刚度与稳定性校核后的三维乘客舱桁架模型，以每组桁架的截面尺寸为设计变量，整体结构质量最小为目标函数，刚度条件为约束函数，进行尺寸优化；得到优化后的三维乘客舱桁架模型各组桁架尺寸；
步骤6：对步骤5得到的优化后的三维乘客舱桁架模型进行稳定性校核，如不满足稳定性要求，则增大发生屈曲的桁架截面尺寸，直到满足稳定性要求，得到最终的乘客舱桁架模型结构方案。
2.根据权利要求1所述一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，其特征在于：步骤1中，设置的乘客舱的对接工况包括：将对接冲击载荷简化为静力载荷，均布在侧面二维几何模型顶部对接处；在侧面二维几何模型底部约束所有平动和转动自由度。
3.根据权利要求1所述一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，其特征在于：步骤2中，所述设计域为乘客舱舱门安装位置前侧以及后侧与整流外形包围的区域。
4.根据权利要求1所述一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，其特征在于：步骤2中，采用拓扑优化方法为变密度法，目标函数为整体应变能最小，约束条件为模型的最终面积不超过给定的约束面积：其数学表达为：
find X＝(x1,x2,…,xn)T,xi∈[0,1],i＝1,2,…,n
minSE
s.t.A<fA0
式中，xi为设计域中每个单元的伪密度,n为设计域单元数量，SE为结构整体的应变能，A0为设计域的原始面积，A为每个迭代步中设计域的面积，f为给定的面积分数。
5.根据权利要求1所述一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，其特征在于：步骤3中，设置的乘客舱的对接工况包括：将对接冲击载荷等效为静力载荷，取值为2倍的动载荷系数乘以飞行模块的重力，均匀布在乘客舱与飞行模块对接处的桁架上；乘客舱底部与地面模块对接处约束所有平动和转动自由度，乘客舱底部外围四点约束所有平动自由度。
6.根据权利要求1所述一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，其特征在于：步骤3中，对三维乘客舱桁架模型中的桁架进行分组具体为：
第1组为连接乘客舱顶部与底部的立柱、第2组为舱门安装位置后侧立柱、第3组为舱门安装位置前侧支撑柱、第4组为乘客舱顶部以及底部的对接部位侧向梁、第5组为乘客舱顶部以及底部的纵向梁、第6组为乘客舱的后缘梁、第7组为乘客舱前缘梁、第8组为乘客舱后缘与舱门安装位置后侧支撑柱之间的梁、第9组为乘客舱前缘与舱门安装位置前侧支撑柱之间的辅助梁、第10组为在乘客舱前缘与舱门安装位置前侧支撑柱之间的纵梁、第11组为除第4组外，连接乘客舱两个侧面的其他侧向梁。
7.根据权利要求1所述一种分体式飞行汽车乘客舱结构设计优化方法，其特征在于：步骤5中，尺寸优化的数学表达为：
find R＝(r1,r2,…,rm)T ri∈[rmin,rmax],i＝1,2,…,m
minM
s.t.Umax≤[U]
式中，ri为设计域中每组桁架的截面尺寸，m为桁架的分组数，rmin和rmax是尺寸约束上下限，M为结构的总质量，Umax为每个迭代步中结构最大位移，[U]为结构的许用位移。
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