RU2431189C2 - Method of optimisation of structural design of composite panel reinforced with stiffeners - Google Patents
Method of optimisation of structural design of composite panel reinforced with stiffeners Download PDFInfo
- Publication number
- RU2431189C2 RU2431189C2 RU2009120537/08A RU2009120537A RU2431189C2 RU 2431189 C2 RU2431189 C2 RU 2431189C2 RU 2009120537/08 A RU2009120537/08 A RU 2009120537/08A RU 2009120537 A RU2009120537 A RU 2009120537A RU 2431189 C2 RU2431189 C2 RU 2431189C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- panel
- stiffeners
- reinforced
- damage
- design
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Moulding By Coating Moulds (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение касается способа оптимизации процесса проектирования конструкции панели из композиционного материала, усиленной элементами жесткости, типа обшивки кессона авиационной конструкции.The present invention relates to a method for optimizing the design process of a panel of a composite material reinforced by stiffeners, such as casing of an aircraft structural box.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION
Работы по использованию композиционных материалов при проектировании авиационных конструкций начались после Второй мировой войны. Первые материалы, в основном стекловолокно, запрессованное в полиэфирные смолы, использовались при проектировании элементов надстройки типа обтекателей для защиты антенн и фюзеляжей. Непрерывное развитие в области разработок новых материалов привело к росту использования этих материалов в более многочисленных компонентах самолета.Work on the use of composite materials in the design of aircraft structures began after the Second World War. The first materials, mainly fiberglass pressed into polyester resins, were used in the design of superstructure elements such as fairings to protect antennas and fuselages. Continuous development in the development of new materials has led to an increase in the use of these materials in more numerous components of the aircraft.
Двадцать пять лет ускоренного развития в области изучения как свойств материалов, так и их поведения прошли со времени этапа сертификации первого основного элемента конструкции пассажирского самолета, полностью спроектированного с использованием композиционных материалов, успешно выполненного в 80-е годы, до настоящего времени, когда приобретены знания в области проектирования большей части конструкции самолета из композиционного материала.Twenty-five years of accelerated development in the study of both the properties of materials and their behavior have passed from the time of certification of the first main structural element of a passenger aircraft, which was completely designed using composite materials, successfully completed in the 80s, to the present, when knowledge is acquired in the design of most of the structure of the aircraft made of composite material.
В состав композиционных материалов, наиболее используемых в авиационной промышленности, входят волокна или пучки волокон, запрессованных в матрице из термореактивной или термопластической смолы, в форме предварительно пропитанного материала или "препрега".The composition of the composite materials most used in the aviation industry includes fibers or bundles of fibers pressed into a matrix of thermosetting or thermoplastic resin, in the form of pre-impregnated material or "prepreg".
В списке преимуществ композиционных материалов можно выделить три самых основных:In the list of advantages of composite materials, there are three most basic:
- их высокая удельная прочность в сравнении с металлами. Это соотношение прочность/вес;- their high specific strength in comparison with metals. This is the ratio of strength / weight;
- их превосходное поведение при усталостных нагрузках;- their excellent fatigue behavior;
- возможности структурной оптимизации, скрытые в анизотропии материала, и возможности объединения волокон с разными ориентациями, обеспечивающие возможность проектирования элементов с различными механическими свойствами, ориентированными на разные потребности с точки зрения прикладываемых нагрузок.- the possibilities of structural optimization hidden in the anisotropy of the material, and the possibility of combining fibers with different orientations, providing the ability to design elements with different mechanical properties, focused on different needs in terms of applied loads.
Способы проектирования авиационных конструкций с использованием преимущества, заложенного в указанных возможностях оптимизации, из предшествующего уровня техники не известны, и настоящее изобретение направлено на решение этой задачи.Methods of designing aircraft structures using the advantages inherent in these optimization opportunities are not known from the prior art, and the present invention is directed to solving this problem.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
В настоящем изобретении предлагается способ автоматизированного проектирования конструкции панели из композиционного материала, усиленной элементами жесткости, заключающийся в оптимизации целевой переменной, содержащий следующие этапы:The present invention provides a method for computer-aided design of a panel structure made of composite material reinforced by stiffeners, which consists in optimizing the target variable, comprising the following steps:
a) получение имитационной модели (SM) панели, усиленной элементом жесткости, включающей в себя всю релевантную информацию для анализа конструкции этой панели, из общей конечно-элементной модели (GFEM);a) obtaining a simulation model (SM) of the panel, reinforced with a stiffener, including all relevant information for the analysis of the design of this panel, from a common finite element model (GFEM);
b) определение, по меньшей мере, одной изменяемой переменной проектирования панели, усиленной элементами жесткости;b) determining at least one variable panel design variable reinforced by stiffeners;
c) определение, по меньшей мере, одного ограничительного условия, которому должно удовлетворять проектное решение панели, усиленной элементами жесткости;c) determining at least one restrictive condition that the design solution of the panel reinforced with stiffeners must satisfy;
d) создание, по меньшей мере, одного имитационного экспертного модуля семейства видов повреждений панели, усиленной элементами жесткости;d) the creation of at least one simulation expert module of a family of types of panel damage reinforced by stiffeners;
e) итерационное изменение переменных проектирования имитационной модели (SM) панели, усиленной элементами жесткости, с целью оптимизации целевой переменной, учет в каждой итерации изменения распределения нагрузок, обусловленного предыдущей итерацией, и подтверждение удовлетворения, по меньшей мере, одному указанному ограничительному условию, а также требованиям по запасу прочности, связанным с предварительно заданными видами повреждений, с использованием указанного, по меньшей мере, одного имитационного экспертного модуля.e) an iterative change in the design variables of the simulation model (SM) of the panel, reinforced by stiffeners, in order to optimize the target variable, taking into account at each iteration the changes in the load distribution caused by the previous iteration, and confirmation of satisfaction of at least one specified restrictive condition, and safety margin requirements associated with predefined types of damage using the specified at least one simulation expert module.
Использование имитационного экспертного модуля семейств видов повреждений обеспечивает возможность полной оптимизации конструкции для всех возможных критериев повреждений и их взаимосвязей и, следовательно, достижения результата процесса, является очень близким к окончательному проектному решению конструкции.The use of a simulation expert module of families of types of damage provides the opportunity to fully optimize the design for all possible damage criteria and their relationships and, therefore, achieve the result of the process, is very close to the final design decision of the design.
Релевантный признак настоящего изобретения заключается в том, что упомянутые взаимосвязи могут приводить и фактически приводят к нелинейным изменениям и потенциальным резким изменениям запаса прочности и, таким образом, к увеличению сложности процесса оптимизации.A relevant feature of the present invention is that said relationships can and do lead to non-linear changes and potential sudden changes in safety margin, and thus to an increase in the complexity of the optimization process.
Другие признаки и преимущества согласно настоящему изобретению будут раскрыты в следующем ниже подробном описании иллюстративного примера осуществления, его цели со ссылками на прилагаемые фигуры.Other features and advantages according to the present invention will be disclosed in the following detailed description of an illustrative embodiment, its purpose with reference to the accompanying figures.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Фиг.1a - вид в перспективе обшивки кессона, которая может быть спроектирована согласно способу, являющемуся объектом настоящего изобретения.Figa is a perspective view of the casing of the caisson, which can be designed according to the method, which is the object of the present invention.
Фиг.1b - вид фиг.2a в сечении по оси A-A'.Fig.1b is a view of Fig.2a in section along the axis A-A '.
Фиг.2 - элемент конструкции обшивки кессона авиационной конструкции и его идеализированного представления в конечно-элементной модели.Figure 2 - structural element of the casing of the caisson of the aircraft structure and its idealized representation in the finite element model.
Фиг.3 - элемент конструкции обшивки кессона авиационной конструкции с локальной системой координат.Figure 3 - structural element of the casing of the caisson aircraft structure with a local coordinate system.
Фиг.4 - блок-схема способа оптимизации процесса проектирования обшивки кессона авиационной конструкции согласно настоящему изобретению.FIG. 4 is a flowchart of a method for optimizing a design process for a casing of an aircraft structure according to the present invention.
Фиг.5 - упрощенный пример указанной обшивки.Figure 5 is a simplified example of said skin.
Фиг.6 - обшивка кессона авиационной конструкции, разбитая на зоны оптимизации.6 is a skin of a caisson of an aircraft structure, divided into optimization zones.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Подход к проблеме оптимизации конструкции заключается в основном в поиске минимума целевой функции. В этом случае подходящей целевой функцией является минимальный вес конструкции, обусловленный рядом условий, которые должны выполняться одновременно, типа положительных коэффициентов запаса прочности, специальных критериев проектирования, производственных ограничений и ограничений по устойчивости для предотвращения аэроупругих явлений и т.д.The approach to the problem of design optimization is mainly in finding the minimum of the objective function. In this case, a suitable target function is the minimum weight of the structure, due to a number of conditions that must be fulfilled simultaneously, such as positive safety factors, special design criteria, production and stability constraints to prevent aeroelastic phenomena, etc.
Как известно, задача оптимизации типа рассматриваемой может быть сформулирована посредством выражения min f (xi), в котором f является целевой функцией (в этом случае в предпочтительном варианте - это минимальный вес), xi - переменные задачи, а gj (xi) - ограничения.As is known, the optimization problem of the type under consideration can be formulated by the expression min f (x i ), in which f is the objective function (in this case, in the preferred embodiment, it is the minimum weight), x i are the task variables, and g j (x i ) - restrictions.
В случае когда материал элемента конструкции, представляющий собой объект оптимизации, является изотропным, число переменных в задаче значительно меньше, чем в случае использования композиционных материалов. Среди некоторых причин возникновения этого факта можно назвать зависимость жесткости от ориентации и порядка укладки волокон, дискретность значений толщины, прерывистость переменных и т.д.In the case when the material of the structural element, which is the object of optimization, is isotropic, the number of variables in the problem is much smaller than in the case of using composite materials. Among some reasons for the occurrence of this fact, one can name the dependence of stiffness on the orientation and order of fiber laying, the discreteness of the thickness values, the discontinuity of the variables, etc.
Отмеченная чрезвычайно высокая степень сложности предполагает необходимость разработки способа, направленного на уменьшение сложности задачи до разумных параметров, обеспечивающих возможность достижения цели безопасным, а также быстрым и эффективным образом.The noted extremely high degree of complexity implies the need to develop a method aimed at reducing the complexity of the task to reasonable parameters that ensure that the goal can be reached in a safe, as well as fast and efficient manner.
Ниже приводится описание примера осуществления настоящего изобретения для получения оптимизированного проектного решения усиленной обшивки кессона авиационной конструкции.The following is a description of an example embodiment of the present invention to obtain an optimized design solution for reinforced casing of an aircraft structural box.
Основная функция обшивки 9 кессона авиационной конструкции, подобной представленной на фиг.1, относящейся к элементу, создающему подъемную силу, типа крыла или стабилизатора самолета, должна формировать непрерывную поверхность, воспринимающую и распределяющую аэродинамическое давление, вызываемое подъемом этого элемента. Эти аэродинамические силы действуют в направлении нормали к обшивке.The main function of the skin of the casing 9 of an aircraft structure, similar to that shown in Fig. 1, relating to a lifting force element, such as a wing or an airplane stabilizer, should form a continuous surface that receives and distributes aerodynamic pressure caused by the lifting of this element. These aerodynamic forces act in the direction normal to the skin.
С другой стороны, в присутствии указанных внешних нагрузок крыло или стабилизатор ведет себя как консольная балка, что обусловливает внутреннее распределение сдвигающих усилий, изгибающих и крутящих моментов вдоль пролета. При этом осевые и изгибающие нагрузки воспринимаются как панелями, так и стрингерами обшивки, а сдвигающие усилия и крутящие моменты, действующие на крыло, воспринимаются панелями обшивки и стенками стрингеров. Другими словами, обшивки подвергаются совместному действию:On the other hand, in the presence of these external loads, the wing or stabilizer behaves like a cantilever beam, which determines the internal distribution of shear forces, bending and torques along the span. In this case, axial and bending loads are perceived by both the panels and the skin stringers, and shear forces and torques acting on the wing are perceived by the skin panels and stringer walls. In other words, claddings are combined:
- осевых нагрузок, возникающих в основном вследствие изгиба кессона, создающего растяжение в одной обшивке и сжатие в противоположной обшивке;- axial loads, arising mainly due to the bending of the caisson, creating tension in one casing and compression in the opposite casing;
- сдвиговых нагрузок, возникающих вследствие крутящего момента и сдвигающего усилия;- shear loads resulting from torque and shear forces;
- поперечных нагрузок, которые могут возникать по следующим нескольким причинам:- lateral loads that may occur for the following several reasons:
- клиновидность кессона;- wedge-shaped caisson;
- эффект Пуассона;- Poisson effect;
- локальные нагрузки, возникающие в результате крепления металлических частей других элементов, таких как рули, закрылки и т.д.- local loads resulting from the fastening of metal parts of other elements, such as rudders, flaps, etc.
Конфигурация конструкции обшивки 9, наиболее используемая для восприятия упомянутой комбинации нагрузок, состоит из панели 11 с очень низкой кривизной, обусловленной аэродинамическим профилем, поддерживаемой ребрами и стрингерами с определенной степенью ограничения угла поворота и усиленной в продольном направлении стрингерами 13.The configuration design of the skin 9, which is most used to perceive the mentioned combination of loads, consists of a
Панель 11 набирается из слоев углеродного волокна, предварительно пропитанных смолой. Слои являются очень тонкими (имеют толщину менее 0,25 мм) и сформованы из углеродных нитей, все из которых ориентированы в одном и том же направлении (лента) или в двух направлениях (ткань) и запрессованы в неотвержденную смолу. Каждый слой ориентирован в заданном направлении, обычно задается 4 направления укладки: 0°, 90°, +45° и -45°, однако указанное правило не является неизменным. С другой стороны, число слоев в каждом направлении задается требованиями по механическим свойствам, выдвигаемым со стороны проектировщика. Свои характерные признаки панель приобретает после выполнения процесса отверждения смолы в условиях высокой температуры и давления.
С другой стороны, изготовление стрингера 13 выполняется таким же образом. Соединение между обоими элементами может быть обеспечено в результате совместного отверждения обоих элементов или использования промежуточного клея. В любом из двух случаев для аналитических целей и обеспечения высокого качества полученного соединения можно полагать, что оба элемента работают как одно целое.On the other hand, the manufacture of
Способ оптимизации процесса проектирования конструкции указанного участка согласно настоящему изобретению, подробное описание которого приводится ниже, содержит (см. фиг.4) три большие фазы:A method for optimizing the design process of the indicated section according to the present invention, the detailed description of which is given below, contains (see FIG. 4) three large phases:
- фазу 21 подготовки;-
- фазу 51 имитации;-
- фазу 91 представления результатов.-
Фаза 21 подготовки, в свою очередь, содержит два этапа:
- этап 25 получения имитационной модели (SM) обшивки 9 из -
общей конечно-элементной модели (GFEM) 23;general finite element model (GFEM) 23;
- этап 25 определения переменных и ограничений.-
Начальной точкой фазы 21 подготовки является определение GFEM 23 кессона и внешних нагрузок, прикладываемых к нему. Другими словами, исходной заданной величиной будет структура задачи, понимаемая как геометрическое расположение различных элементов, формирующих кессон:The starting point of
- расположение стрингеров;- location of stringers;
- расположение ребер, которые позволяют определить длину панелей;- the location of the ribs that allow you to determine the length of the panels;
- шаг стрингеров, который очевидно может быть постоянным или переменным;- the step of the stringers, which obviously can be constant or variable;
- ориентация стрингеров, т.е. параллельность стрингеров один другому или какому-нибудь стрингеру.- orientation of the stringers, i.e. parallelism of stringers to one another or to some stringer.
Приведенные данные не являются объектом оптимизации, т.е. они остаются постоянными в течение всего процесса. В случае необходимости оценки влияния изменения любого из этих данных на вес конструкции требуется выполнение указанной модификации самой GFEM 23 и перезапуск процесса. Очевидно, что идеальным является подход к указанным данным как к переменным задачи, однако указанное предположение преобразует задачу в нечто неуправляемое. Несмотря на это, способ согласно настоящему изобретению позволяет достичь чрезвычайно высокой скорости выполнения полного процесса и, таким образом, обеспечивает возможность выполнения многочисленных исследований при очень низкой стоимости вычислений и даже одновременного облегчения сравнения результатов и отбора оптимального комплексного решения.The data presented are not an object of optimization, i.e. they remain constant throughout the process. If it is necessary to assess the effect of a change in any of these data on the weight of the structure, the specified modification of the
Несмотря на то что объектом оптимизации является только обшивка 9, GFEM 23 может включать в себя все элементы кессона. Другими словами, для получения внутренних нагрузок не потребуется никакого преобразования используемой исходной модели.Despite the fact that only skin 9 is the object of optimization,
Обшивка 9 может быть непрерывной или иметь отверстия. Единственным основным требованием является отдельная идеализация элементов жесткости и панелей обшивки, а также их корректное разграничение в результате идеализации стрингеров и ребер.Sheathing 9 may be continuous or have holes. The only basic requirement is a separate idealization of stiffeners and paneling, as well as their correct delimitation as a result of idealization of stringers and ribs.
Включения в GFEM 23 обшивки 9 свойств элементов, толщин, материалов, площадей и т.д. не требуется. Однако основным является определение ориентации материала под углом 0°, т.е. оси, относительно которой определяется ориентация укладки слоев композиционного материала.Inclusions in
С другой стороны, GFEM 23 обшивки 9 также должна включать в себя определение конечных элементов, формирующих участок каждого элемента конструкции, а также их обозначение в соответствии с установленными нормативами.On the other hand, the
Второй этап фазы 21 подготовки заключается в получении SM 25 обшивки 9 на основе концепции элемента конструкции.The second stage of the
Элемент 17 конструкции определен как наименьший участок обшивки 9, работающий как одно целое, которая, как показано на фиг.2, образована секцией стрингера Sm, ограниченной ребрами Rn и Rn+1, и ее соседними панелями 15, 15' (проходящими от стрингера Sm к соседнему стрингеру Sm+1 или Sm-1), который может быть идеализирован одним или несколькими конечными элементами (на фиг.2 представлены три элемента для каждой панели 15, 15').The
Для каждого элемента 17 конструкции SM 25 содержит всю релевантную информацию для процесса анализа конструкции, рассматриваемого ниже:For each
- геометрия:- geometry:
- ширина и длина панелей 15, 15';- width and length of panels 15, 15 ';
- угол φ ориентации укладки материала относительно локальных осей (X, Y, Z) элемента 17 конструкции (см. фиг.3);- the angle φ of the orientation of the laying of the material relative to the local axes (X, Y, Z) of the structural element 17 (see figure 3);
- форма прямого сечения стрингера Sm;- the shape of the straight section of the stringer S m ;
- размеры стрингера Sm.- dimensions of the stringer S m .
В таблице 1 приведены некоторые исходные геометрические данные обшивки согласно примеру, представленному на фиг.5, состоящей из трех панелей и двух T-образных стрингеров.Table 1 shows some of the initial geometric data of the casing according to the example presented in figure 5, consisting of three panels and two T-shaped stringers.
Механические свойства:Mechanical properties:
- укладка панелей 15, 15';- laying of panels 15, 15 ';
- укладка стрингеров Sm вдоль всего его прямого сечения;- laying stringers S m along its entire straight section;
- свойства материала, используемого при укладке.- properties of the material used during installation.
Механические свойства слоя.The mechanical properties of the layer.
В таблице 2 приведены некоторые исходные данные при укладке панелей обшивки согласно примеру, представленному на фиг.5.Table 2 shows some initial data when laying the paneling according to the example presented in figure 5.
- Нагрузки в панелях 15, 15' и стрингере Sm.- Loads in panels 15, 15 'and stringer S m .
- Коэффициенты запаса прочности для всех видов повреждений в элементе 17 конструкции.- Safety factors for all types of damage in the
Например, для обшивки согласно примеру, представленному на фиг.5, коэффициенты запаса прочности, превышающие 1,0, установлены для следующих видов повреждений:For example, for casing according to the example presented in figure 5, safety factors exceeding 1.0 are set for the following types of damage:
- локальный прогиб стрингера;- local deflection of the stringer;
- локальный прогиб обшивки;- local deflection of the casing;
- прогиб обшивки между заклепками;- deflection of the casing between the rivets;
- последующее коробление в случае локальной потери устойчивости стрингера и обшивки;- subsequent warping in case of local loss of stability of the stringer and sheathing;
- общий прогиб конструкции;- general deflection of the structure;
- допуск на повреждение в обшивке и в основании и полке стрингера;- tolerance for damage in the casing and in the base and shelf of the stringer;
- потенциальные клепаные соединения в обшивке и в основании и полке стрингера для обеспечения ремонтопригодности компонента.- potential riveted joints in the casing and in the base and shelf of the stringer to ensure maintainability of the component.
Третий этап фазы 21 подготовки - это определение переменных проектирования и ограничений 27.The third phase of
Определение переменной проектирования означает обозначение предварительно определенного признака в "элементе 17 конструкции", который подвергается анализу на свою чувствительность к результату анализа конструкции.The definition of a design variable means the designation of a predefined feature in the "
Например, если толщина панели определена как переменная проектирования, то мотор оптимизации вычисляет изменение запаса прочности по каждому соответствующему критерию повреждений перед единичным изменением значения переменной. Это обеспечивает возможность направления процесса на варианты конструкции с минимальным весом относительно установленной переменной.For example, if the panel thickness is defined as a design variable, the optimization motor calculates the change in safety margin for each relevant damage criterion before a single change in the value of the variable. This makes it possible to direct the process to design options with a minimum weight relative to the set variable.
Число переменных проектирования, которые могут быть определены в элементе конструкции, по существу, зависит от его геометрической сложности и может быть очень большим. Поэтому способ позволяет пользователю выбирать переменные проектирования, подвергаемые оптимизации. Для корректного выполнения этого выбора следует рассмотреть переменные, оказывающие большее влияние на целевую функцию, такие как: The number of design variables that can be defined in a design element essentially depends on its geometric complexity and can be very large. Therefore, the method allows the user to select design variables to be optimized. To correctly make this choice, consider variables that have a greater impact on the objective function, such as:
- толщины панелей;- thickness of panels;
- толщины различных сегментов стрингера;- thicknesses of various stringer segments;
- размеры стрингеров;- sizes of stringers;
- проценты возможных ориентаций слоев панели;- percentages of the possible orientations of the panel layers;
- проценты возможных ориентаций слоев различных сегментов стрингера.- percentages of the possible orientations of the layers of various stringer segments.
Описываемый способ не ограничивается числом приведенных переменных проектирования, а указанное ограничение определяется скорее возможностями вычислительного оборудования и математических алгоритмов оптимизации.The described method is not limited by the number of design variables given, and this restriction is determined more likely by the capabilities of computing equipment and mathematical optimization algorithms.
Для обшивки согласно примеру, представленному на фиг.5, в качестве переменных проектирования рассматриваются следующие:For casing according to the example presented in figure 5, the following are considered as design variables:
- ширина основания стрингера;- the width of the base of the stringer;
- толщина основания стрингера;- thickness of the base of the stringer;
- высота полки стрингера;- the height of the shelf stringer;
- толщина полки стрингера;- the thickness of the shelf stringer;
- толщина панели;- panel thickness;
- процент от слоев с углом ориентации 0°;- percentage of layers with an orientation angle of 0 °;
- процент слоев с углом ориентации 90°.- percentage of layers with an orientation angle of 90 °.
Ограничения этих переменных определяются как диапазон изменчивости или величина параметра, который может быть или не быть переменной проектирования. Например, толщина панели может быть определена как переменная проектирования, и в то же самое время ее минимальное и/или максимальное значение может быть определено как ограничение.The limitations of these variables are defined as the range of variability or the value of a parameter, which may or may not be a design variable. For example, the thickness of a panel can be defined as a design variable, and at the same time, its minimum and / or maximum value can be defined as a limitation.
Однако минимальное значение для площади стрингера - это отношение площадей панели, которое необязательно должно быть переменной проектирования и может быть определено как ограничение.However, the minimum value for the stringer area is the ratio of the area of the panel, which does not have to be a design variable and can be defined as a limitation.
Другой тип ограничения, которое должно быть определено, - это максимальное отношение значений переменных проектирования, соответствующих соседним элементам, подчиняющееся правилам проектирования, гарантирующим возможность изготовления компонента.Another type of constraint that must be defined is the maximum ratio of the values of the design variables corresponding to neighboring elements, subject to design rules that guarantee the possibility of manufacturing a component.
Таким образом, если параметр определен как переменная проектирования, это означает, что он является объектом анализа на чувствительность к коэффициентам запаса прочности, тогда как в случае определения этого параметра как ограничения он только подтверждает свое соответствие посредством оптимального решения.Thus, if a parameter is defined as a design variable, this means that it is an object of analysis for sensitivity to safety factors, whereas if this parameter is defined as a limitation, it only confirms its compliance by means of an optimal solution.
Ниже приводятся производственные ограничения, используемые в случае обшивки, представленной на фиг.5:The following are the manufacturing limitations used in the case of the casing shown in FIG. 5:
- эффективная ширина панели. Отношение шага стрингера и ширины его основания;- effective panel width. The ratio of the stringer's step and the width of its base;
- отношение продольной жесткости панели и ее жесткости на сдвиг, Ex/Gxy;- the ratio of the longitudinal stiffness of the panel and its shear stiffness, E x / G xy ;
- диаметр заклепки, используемый в критерии ремонтопригодности;- the diameter of the rivet used in the maintainability criterion;
- минимальная толщина панели;- minimum panel thickness;
- толщина и длина основания стрингера;- thickness and length of the base of the stringer;
- толщина и длина полки стрингера;- thickness and length of the stringer shelf;
- отношение между толщиной полки стрингера и толщиной его основания;- the relationship between the thickness of the shelf of the stringer and the thickness of its base;
- отношение между толщиной полки стрингера и высотой его полки;- the relationship between the thickness of the shelf of the stringer and the height of its shelf;
- отношение между толщиной основания стрингера и толщиной панели;- the relationship between the thickness of the base of the stringer and the thickness of the panel;
- процент слоев панели в направлении с углом ориентации 0°;- percentage of panel layers in a direction with an orientation angle of 0 °;
- процент слоев панели в направлении с углом ориентации 90°.- the percentage of panel layers in a direction with an orientation angle of 90 °.
Для оценки влияния изменений, обусловливаемых описываемым ниже способом оптимизации, на распределения внутренних нагрузок передача данных между SM 25 и GFEM 23 должна осуществляться автоматически. Необходимо учитывать, что в этом способе изменение значения переменных оптимизации ориентировано на варианты минимального веса, который может вызывать относительные изменения жесткости между элементами конструкции, формирующими обшивку, и, следовательно, изменения в траекториях действия нагрузок на нее.To assess the effect of changes due to the optimization method described below on the distribution of internal loads, data transfer between the
После описания фазы 21 подготовки способа оптимизации процесса проектирования конструкции обшивки 9 согласно настоящему изобретению далее приводится описание фазы 51 имитации, которая содержит применение SM 25 мотора 53 оптимизации в цикле 52 итерации, который использует имитационные модули 55 семейств видов повреждений, касающихся устойчивости 57, допустимых повреждений 59, ремонтопригодности 61 или других факторов 63, меняющих в каждом цикле 52 итерации значения переменной проектирования, выбранной с целью уменьшения веса обшивки 9.After describing the
Возможными типичными вариантами разрушения обшивки 9, подвергаемой упомянутым нагрузкам, являются:Possible typical options for the destruction of the skin 9 subjected to the said loads are:
- потеря устойчивости;- loss of stability;
- разрыв с учетом наличия допустимых производственных повреждений и дефектов;- gap taking into account the presence of permissible manufacturing damage and defects;
- соединения между различными элементами: ребрами, лонжеронами, фитингами и т.д.- connections between various elements: ribs, spars, fittings, etc.
С другой стороны, ремонтопригодность компонента должна быть гарантирована с учетом срока его службы. Этот коэффициент учитывается посредством предварительного определения ремонтных работ типа клепаных заплат.On the other hand, the maintainability of the component should be guaranteed taking into account its service life. This ratio is taken into account by a preliminary determination of repair work such as riveted patches.
Во время анализа чувствительности, который должен выполняться мотором 53 оптимизации, должен быть рассмотрен каждый из указанных видов повреждений. Это обеспечивается созданием имитационных экспертных модулей 55, позволяющих эффективно осуществлять основу анализа, причем эту эффективность следует трактовать с трех точек зрения: безопасность имитации, ее надежность и снижение стоимости потребляемых вычислительных ресурсов.During the sensitivity analysis to be performed by the
Концепция имитационного экспертного модуля 55 ограничивается следующими параметрами:The concept of
- В ней не применяются простые и общие формулы специальной литературы по определению чистых разрушающих нагрузок упрощенных элементов, а скорее используются сложные способы определения указанных допустимых учитываемых нагрузок:- It does not use simple and general formulas of the specialized literature for determining the net destructive loads of simplified elements, but rather uses complex methods for determining the indicated allowable considered loads:
• Любая комбинация на схеме нагрузок в более чем двух направлениях сдвига.• Any combination of load patterns in more than two shear directions.
• Влияния основания стрингера на локальную и общую потерю устойчивости.• The influence of the stringer base on local and general buckling.
• Различные ориентации при укладке как панелей, так и элементов жесткости, состоящих из различных материалов.• Different orientations when laying both panels and stiffeners, consisting of various materials.
Однако исключительно экспертный модуль характеризуется своей пригодностью к учету взаимосвязи между различными видами рассматриваемых повреждений, так что он позволяет определять не только основные, или чистые, виды повреждений, но также и возможное влияние одного из них на другое в соответствии с уровнем нагрузки, прикладываемой к каждому из них. Ниже приводится пример, объясняющий эту взаимосвязь:However, the exclusively expert module is characterized by its suitability for taking into account the relationship between the different types of damage under consideration, so that it allows you to determine not only the main, or pure, types of damage, but also the possible effect of one of them on the other in accordance with the level of load applied to each of them. The following is an example explaining this relationship:
• Локальный прогиб возникает в панели, расположенной между двумя стрингерами при уровне P нагрузки, вызывающей больший общий прогиб.• Local deflection occurs in a panel located between two stringers at a load level P, which causes a greater total deflection.
• При этих условиях, когда инерция стрингера достаточна для предотвращения общего прогиба, в панели, усиленной элементами жесткости, развивается последующее коробление, вызывающее перераспределение нагрузок на стрингере.• Under these conditions, when the inertia of the stringer is sufficient to prevent general deflection, in the panel reinforced by stiffeners, subsequent warping develops, causing the load to be redistributed on the stringer.
• Наконец, сборка разрушается или вследствие повреждения, например, опоры стрингера, или вследствие отделения стрингера от панели при нагрузке Р+ΔР.• Finally, the assembly is destroyed either due to damage, for example, the support of the stringer, or due to the separation of the stringer from the panel under a load of P + ΔP.
• До предыдущего пункта возможно применение первого пункта, связанного с использованием сложных процессов. Однако экспертный модуль обеспечивает дополнительный этап в результате соотнесения предыдущей последовательности с влиянием, которое вторичное распределение нагрузок, возникающее вследствие потери устойчивости, может оказывать на другие общие критерии повреждений типа допустимых повреждений или ремонтопригодности. Другими словами, коэффициенты запаса прочности этих двух критериев учитывают нагрузки, вызываемые перераспределением изначально неприкладываемых нагрузок, в случае возникновения такого перераспределения.• Prior to the previous paragraph, the application of the first paragraph related to the use of complex processes is possible. However, the expert module provides an additional step as a result of correlating the previous sequence with the effect that the secondary load distribution resulting from the loss of stability can have other general damage criteria such as permissible damage or maintainability. In other words, the safety factors of these two criteria take into account the loads caused by the redistribution of initially unapplied loads in the event of such a redistribution.
В предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения каждый из видов повреждений имеет соответствующий имитационный экспертный модуль 55. Это обеспечивает большую гибкость способа по следующим причинам:In a preferred embodiment of the present invention, each type of damage has a corresponding
- Имитационные экспертные модули 55 могут быть связаны или не связаны с оптимизацией и обеспечивать при этом возможность изучения влияния учета каждого критерия повреждений на вес оптимальной конструкции.-
- Коррекции или усовершенствования имитационного экспертного модуля 55 могут быть осуществлены полностью независимо от характеристик способа оптимизации процесса проектирования определенного компонента.- Corrections or improvements to the
- Новые имитационные экспертные модули 55 могут быть совершенно беспрепятственно включены в способ оптимизации процесса проектирования компонента.- New
В предпочтительном примере осуществления фаза 51 имитации содержит следующие этапы:In a preferred embodiment, the
a) Запуск модели с исходными данными для обеспечения корректного распределения внутренних нагрузок между различными элементами 17 конструкции обшивки 9 в соответствии с их относительной жесткостью.a) Running the model with the initial data to ensure the correct distribution of internal loads between the
b) Последующее получение мотором 53 оптимизации коэффициентов запаса прочности, соответствующих различным имитационным экспертным модулям 55, для каждого элемента 17 конструкции.b) Subsequent receipt by
c) Выполнение мотором 53 оптимизации анализа чувствительности для каждого из видов повреждений после получения соответствующих коэффициентов запаса прочности.c)
d) Изменение переменных проектирования, считающихся самыми перспективными с точки зрения уменьшения веса обшивки 9, с учетом результатов, полученных при предыдущем анализе, и оставшихся определенных ограничений.d) Change in design variables that are considered the most promising in terms of reducing the weight of the skin 9, taking into account the results obtained in the previous analysis and the remaining certain limitations.
e) Получение нового распределения внутренних нагрузок в различных элементах 17 обшивки 9 с учетом потенциального изменения коэффициентов относительной жесткости, вызывающих указанные изменения, путем изменения модели и ее повторного запуска.e) Obtaining a new distribution of internal loads in the
f) Повторение всего процесса с этапа b) с внесенными изменениями, обеспечивающее мотору 53 оптимизации возможность прогрессивного снижения начального веса на последовательных итерациях, сходящихся к одному решению, характеризующемуся тем, что ни одно последующее решение при введении какого-либо изменения и выполнении начальных ограничений не обеспечит дальнейшего снижения веса.f) Repeating the whole process from step b) as amended, providing the
g) Выполнение заключительного этапа, состоящего в полном определении последовательности укладки обшивки из оптимальных процентов слоев для каждой из рассматриваемых ориентаций.g) Performing the final stage, which consists in fully determining the sequence of laying the casing from the optimal percent of layers for each of the orientations considered.
Последняя фаза 91 способа оптимизации процесса проектирования конструкции обшивки 9 согласно настоящему изобретению - это фаза представления результатов оптимального решения 93.The
Эти результаты, которые могут быть представлены графически или численно, обычно содержат следующую информацию:These results, which can be presented graphically or numerically, usually contain the following information:
- Оптимальное значение, полученное для каждой из переменных оптимизаций.- The optimal value obtained for each of the optimization variables.
- Коэффициенты запаса прочности, соответствующие каждому из видов повреждений, содержащихся в способе оптимизации, и соответствующим им нагрузкам.- Safety factors, corresponding to each type of damage contained in the optimization method, and their corresponding loads.
- Критические коэффициенты запаса прочности.- Critical safety factors.
- Случаи критических нагрузок.- Cases of critical loads.
- Виды повреждений, связанные с критическими коэффициентами запаса прочности.- Types of damage associated with critical safety factors.
- Начальный и конечный результат целевой функции, а также - The initial and final result of the objective function, as well as
их развитие для всех последовательных итераций.their development for all sequential iterations.
Для обшивки согласно примеру, представленному на фиг.5, в таблице 3 приведены данные изменения веса обшивки в фазе 52 имитации, в которой оптимальное решение достигнуто на шести итерациях.For casing according to the example shown in Fig. 5, Table 3 shows the data on the change in the weight of the casing in the
В таблице 4 приведены данные изменения используемых переменных оптимизаций.Table 4 shows the data on changes in the used optimization variables.
На основании приведенных данных может быть сделан вывод о том, что способ оптимизации позволяет увеличить ширину основания стрингера, уменьшить его толщину, уменьшить как высоту, так и толщину полки элемента жесткости и, таким образом, уменьшить его инерционность, а также уменьшить толщину панели и углы ориентации слоев. Эти изменения приводят к снижению веса на 40%.Based on the data presented, it can be concluded that the optimization method allows to increase the width of the base of the stringer, reduce its thickness, reduce both the height and thickness of the shelf of the stiffener, and thus reduce its inertia, as well as reduce the thickness of the panel and angles orientation layers. These changes lead to a 40% weight loss.
Процесс оптимизации всех элементов конструкции, которые могут быть определены во всей обшивке, может быть чрезвычайно дорогим и сложным, и, кроме того, с учетом ограничений, накладываемых производственным процессом, его результатами могут быть оптимальные, но невыполнимые решения. И, наконец, в предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения SM 25 реализована не на уровне элемента 17 конструкции, а скорее на уровне зоны, понимаемой как группа элементов 17 конструкции, имеющих один или более общих конструктивных параметров, а также ограничений и переменных оптимизаций, понимаемых так же.The optimization process of all structural elements that can be defined in the entire skin can be extremely expensive and complicated, and, in addition, taking into account the restrictions imposed by the production process, its results can be optimal, but impossible solutions. And finally, in a preferred embodiment of the present invention,
На фиг.6 представлено разбиение обшивки 9 на зоны 19.Figure 6 presents a partition of the skin 9 into
Настоящее изобретение может быть использовано применительно к проектированию элементов конструкции самолета, таких как горизонтальные и вертикальные стабилизаторы, консоли и средние части крыла, в том числе поверхности большой подъемной силы типа рулей высоты поворота, закрылков, предкрылков, содержащих в своей архитектуре элементы, сформированные панелями жесткости с малой кривизной.The present invention can be applied to the design of aircraft structural elements, such as horizontal and vertical stabilizers, cantilevers and the middle parts of the wing, including high lift surfaces such as rudders, flaps, slats, which contain elements formed by stiffeners in their architecture with small curvature.
Помимо использования при проектировании обшивок способ согласно настоящему изобретению может быть использован для:In addition to use in the design of cladding, the method according to the present invention can be used for:
- выявления факторов, оказывающих самое большое влияние на проектирование, и их воздействия на конечную целевую функцию типа:- identifying factors that have the greatest impact on design, and their impact on the final objective function of the type:
- критических видов повреждений,- critical types of damage,
- случай критических нагрузок.- case of critical loads.
- Изучения жизнеспособности типа:- Studies of viability type:
- влияния изменения механических свойств материалов,- the impact of changes in the mechanical properties of materials,
- влияния ориентации розеткообразной структуры, определяющей углы слоев,- the influence of the orientation of the rosette-like structure that defines the angles of the layers,
- влияния общей гибкости компонента на его аэродинамическом поведении. - the influence of the overall flexibility of the component on its aerodynamic behavior.
Деформация компонента изменяет его форму и, следовательно, аэродинамические нагрузки, которым он подвергается. Поэтому общая жесткость могла быть включена как ограничение при проектировании.The deformation of a component changes its shape and, therefore, the aerodynamic loads to which it is subjected. Therefore, total rigidity could be included as a design constraint.
В предпочтительный пример осуществления, описываемый выше, могут быть внесены любые изменения, не выходящие за пределы объема изобретения, определенные в приводимой ниже формуле изобретения.In the preferred embodiment described above, any changes may be made without departing from the scope of the invention as defined in the claims that follow.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009120537/08A RU2431189C2 (en) | 2006-10-31 | 2006-10-31 | Method of optimisation of structural design of composite panel reinforced with stiffeners |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009120537/08A RU2431189C2 (en) | 2006-10-31 | 2006-10-31 | Method of optimisation of structural design of composite panel reinforced with stiffeners |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009120537A RU2009120537A (en) | 2010-12-10 |
RU2431189C2 true RU2431189C2 (en) | 2011-10-10 |
Family
ID=44805218
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009120537/08A RU2431189C2 (en) | 2006-10-31 | 2006-10-31 | Method of optimisation of structural design of composite panel reinforced with stiffeners |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2431189C2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113987689B (en) * | 2021-11-10 | 2024-06-14 | 中航沈飞民用飞机有限责任公司 | Comprehensive optimization design method for reinforced pressure frame of composite material grille based on shape modification |
CN114969960B (en) * | 2021-12-31 | 2024-09-06 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | Optimal design method for airtight roof structure of airplane |
CN117371093A (en) * | 2023-10-11 | 2024-01-09 | 东莞理工学院 | Construction method of GFRP (glass fiber reinforced plastic) rib ECC (error correction code) follow-up bonding sliding constitutive model |
-
2006
- 2006-10-31 RU RU2009120537/08A patent/RU2431189C2/en active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009120537A (en) | 2010-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7668701B2 (en) | Process for optimizing the structural design of a stiffened composite material panel | |
Kassapoglou | Design and analysis of composite structures: with applications to aerospace structures | |
CN105752316A (en) | Skin-stringer design for composite wings | |
EP2589531B1 (en) | Internal structure of aircraft made of composite material | |
Dang et al. | Optimization and postbuckling analysis of curvilinear-stiffened panels under multiple-load cases | |
Barkanov et al. | Optimal design of composite lateral wing upper covers. Part I: Linear buckling analysis | |
JP2020050332A5 (en) | ||
JP5319538B2 (en) | Wing panel structure | |
RU2431189C2 (en) | Method of optimisation of structural design of composite panel reinforced with stiffeners | |
Ghadge et al. | Multi-disciplinary design optimization of composite structures: A review | |
Schuhmacher et al. | Multidisciplinary design optimization of a regional aircraft wing box | |
Frediani et al. | The lifting system of a PrandtlPlane, part 3: Structures made in composites | |
EP3597525B1 (en) | Curved composite part and manufacturing method thereof | |
Mohaghegh | Evolution of structures design philosophy and criteria | |
Grihon et al. | A380 weight savings using numerical structural optimization | |
Neto et al. | A new metamodel for reinforced panels under compressive loads and its application to the fuselage conception | |
Michaud et al. | Structural design and optimization of an aircraft morphing wing: Composite skin | |
Butler | Composites affordability initiative | |
Liu et al. | Optimum Buckling Design for Composite Wing Cover Panels with Manufacturing Constraints | |
Hafid et al. | Numerical Investigation on the Fuselage Airframe of LSU 05 NG Aircraft | |
van Gent et al. | Cost-weight trades for modular composite structures | |
Bayandor et al. | Parametric optimisation of composite shell structures for an aircraft Krueger flap | |
Martín | Composite Optimisation Techniques for Aircraft Components Structural Sizing | |
Cardona et al. | Manufacturing Trials of Integrally-Stiffened Panels for Flight Applications | |
Love et al. | Structural optimization of a novel flying wing supersonic aircraft configuration |