復合材料優(yōu)化技術(shù)在無人機結(jié)構(gòu)設計中的應用

1、復合材料優(yōu)化技術(shù)在無人機結(jié)復合材料優(yōu)化技術(shù)在無人機結(jié)構(gòu)設計中的應用構(gòu)設計中的應用常常 亮亮中國飛機強度研究所中國飛機強度研究所2015-05-292015-05-29目 次耀州耀州蘇家店蘇家店上海上海浦東新區(qū)浦東新區(qū)中國飛機強度研究所（623所）是我國唯一的飛機強度研究中心和地面強度鑒定與驗證試驗研究機構(gòu)，具有代表國家對新研與改型飛機給出首飛前強度結(jié)論的職能。 強度所目前形成閻良、耀州、長安為試驗基地的“四地五點”運轉(zhuǎn)格局。 飛行器強度問題的解決者； 飛行器強度新技術(shù)的創(chuàng)造者； 飛行器強度設計工具的提供者； 飛行器型號地面驗證和鑒定者。一、單位簡介計算結(jié)構(gòu)技術(shù)與仿真中心，負責計算結(jié)構(gòu)力學技術(shù)研

2、究與CAE軟件研發(fā)等工作。近年來，先后承擔了國防基礎科研、863、集團創(chuàng)新基金、空裝、總裝等多項研究任務。參與了多個重點型號的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強度分析及虛擬試驗等工作，為型號研制提供了重要的技術(shù)支持。 中心長期堅持自主創(chuàng)新，多次獲國家級、省部級科技進步獎，在國內(nèi)外各類期刊發(fā)表科技論文40余篇，其中EI檢索8篇，申請發(fā)明專利16項，軟件著作權(quán)15項，取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。一、單位簡介 復合材料結(jié)構(gòu)分析的特殊性表現(xiàn)在以下方面： 復合材料結(jié)構(gòu)靜強度、穩(wěn)定性設計分析技術(shù) 復合材料連接結(jié)構(gòu)失效載荷評估 復合材料新型結(jié)構(gòu)設計與分析技術(shù)復合材料分析的關鍵問題復合材料分析的關鍵問題盡管復合材料結(jié)構(gòu)的分析方法已

3、經(jīng)取得了重要的進展，但是，由于復合材料破壞機理的多樣性和復雜性，對其結(jié)構(gòu)的失效模式、剩余強度等的可靠預測仍然存在很多問題。目前所采用的結(jié)構(gòu)設計和分析方法往往依賴經(jīng)驗，細節(jié)設計的方法和手段更是缺乏。試驗件示意圖有限元模型多釘連接結(jié)構(gòu)失效載荷評估多釘連接結(jié)構(gòu)失效載荷評估復合材料分析的關鍵問題復合材料分析的關鍵問題為了在主承力構(gòu)件上應用復合材料實現(xiàn)減重和全壽命低成本的設計目標，必將采用適合于主承力構(gòu)件特點的新型結(jié)構(gòu)，如厚蒙皮翼面結(jié)構(gòu)、雙向加筋結(jié)構(gòu)、波紋腹板結(jié)構(gòu)等等。為實現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)形式在主承力構(gòu)件上的應用，必須首先突破其設計與分析技術(shù)。復合材料分析的關鍵問題復合材料分析的關鍵問題在復合材料結(jié)構(gòu)設計中需

4、要解決以下幾個關鍵問題：大規(guī)模設計變量超大規(guī)模設計約束（最主要是穩(wěn)定性問題）多學科綜合（柔度大，氣動/結(jié)構(gòu)耦合問題突出）復合材料優(yōu)化設計的工藝實現(xiàn)氣動彈性剪裁（翼面結(jié)構(gòu)）復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題各個學科的設計自由度與設計準則的數(shù)量均呈爆炸型增長。設計自由度 結(jié)構(gòu)參數(shù)、外形參數(shù)、控制參數(shù)； 復合材料單層厚度、鋪層順序、角度。設計準則 強度、剛度要求； 穩(wěn)定性要求； 重量要求； 疲勞、耐久性要求； 損傷容限要求； 工藝性要求； 適航性要求； 低成本設計要求。復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題 需要同時考慮在飛機結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化過程中所涉及到的各個學科復合

5、材料優(yōu)化設計的關鍵問題復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題優(yōu)化優(yōu)化變量優(yōu)化目標優(yōu)化約束熱強度熱應力分析熱傳導分析氣動加熱疲勞/損傷容限疲勞壽命疲勞可靠性損傷容限特性載荷按規(guī)范生成載荷CFD計算載荷吹風數(shù)據(jù)修正氣動彈性顫振翼面反效抖振靜強度應力分析穩(wěn)定性剛度破壞準則 復合材料典型結(jié)構(gòu),其成型工藝有多種； 因此設計結(jié)果需要考慮成型工藝性、模具設計與制造方便性及制造成本等方面。復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題主剛軸為位置對氣彈有著重要影響減少攻角增加攻角來流方向原始剛軸位置參考軸減少機動阻力減少機動載荷防止發(fā)散外洗內(nèi)洗防止顫振有利操縱效率有利升力效率復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題復合材料優(yōu)化設

6、計的關鍵問題復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題復合材料優(yōu)化設計的關鍵問題大規(guī)模設計變量大規(guī)模設計變量超大規(guī)模設計約束超大規(guī)模設計約束多學科綜合多學科綜合復合材料優(yōu)化設計的工藝實現(xiàn)復合材料優(yōu)化設計的工藝實現(xiàn)氣動彈性剪裁氣動彈性剪裁復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 新機研制中結(jié)構(gòu)設計工作一般要經(jīng)過方案論證與概念設計、初步設計、詳細設計、 試制與試驗、試飛與設計定型等幾個階段。 設計方法和工具必須與飛機設計的流程、規(guī)范緊密結(jié)合，否則沒有應用價值！復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 航空結(jié)構(gòu)強度分析與優(yōu)化設計軟件系統(tǒng)（HAJIF2013）是中航工業(yè)強度所研制推出的國內(nèi)航空界功能最為全面的

7、大型CAE軟件系統(tǒng)，以強度試驗數(shù)據(jù)庫為支撐，提供飛行器結(jié)構(gòu)靜強度、動強度、熱強度、氣動彈性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等基本求解功能，以及飛機結(jié)構(gòu)細節(jié)強度校核、耐久性等特色分析功能。系統(tǒng)還提供可滿足用戶特殊需求的開放式定制環(huán)境，并設計有與多種主流CAE軟件的接口，具備獨立的前后置處理功能。復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 飛機設計中對優(yōu)化設計的兩個基本要求： 工程化：優(yōu)化結(jié)果的可用性要好，不同設計階段的變量、優(yōu)化目標、對結(jié)果保真度要求不同。飛機是設計出來的，不是優(yōu)化出來的，大量的工程設計經(jīng)驗無法進行數(shù)值表達。 流程化：飛機作為工業(yè)化程度很高的產(chǎn)品，設計的質(zhì)量必須靠嚴格的流程保證，而非個人的能力發(fā)

8、揮，這就要求飛機設計中實現(xiàn)基于工具的流程化。優(yōu)化設計模塊提供了滿應力優(yōu)化、規(guī)劃法優(yōu)化及敏度求解功能，對飛行器設計全周期提供多層次的優(yōu)化能力，適用于不同工程設計階段。多層次優(yōu)化能力翼面多約束優(yōu)化設計（ 靜、動、顫、彈）加筋板的穩(wěn)定性優(yōu)化設計全機FSD復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計適合于全機、翼面、機身等不同結(jié)構(gòu)，適用于飛機初步設計和詳細設計階段的結(jié)構(gòu)方案設計和性能評估。給出滿足結(jié)構(gòu)靜強度約束條件(應力、應變、屈曲)的總體尺寸分布與鋪層。桿/梁面積、板厚、復材分層厚度為設計變量；金屬材料采用應力比、復合材料采用應變比進行滿應力/滿應變設計；方法實用高效，只需有限步迭代即可收斂。 （關

9、鍵點：劃分設計區(qū)、給定結(jié)構(gòu)許用值、確定上下限、運用松弛系數(shù)等）。復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 由用戶指定關鍵元，系統(tǒng)自動查找對應的設計區(qū)，由分析模型生成優(yōu)化模型速度非?？?； 按元設計模塊； 部件重量計算功能。設計區(qū)與關鍵元部件重量計算復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 復合材料綜合設計xyyxoxyoyoxxyyxihrrR)()() 1(kikiKiAA 采用經(jīng)典層壓板理論，同時考慮板的拉 壓與彎曲的綜合效應 用應變比進行層壓板一級優(yōu)化 按應變能原理進行分層二級優(yōu)化)(1) 1() 1(knjijijkikijeeAA)() 1()() 1(kijkijkijski

10、jsAAAA 將優(yōu)化結(jié)果分到單層復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 多種FSD計算公式，適于翼機、機身等不同結(jié)構(gòu)； 復材鋪層比例約束； 復合材料均衡/非均衡設計； 鄰近區(qū)域厚度變化約束(展、弦)。復合材料鋪層比例控制復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 顯式近似優(yōu)化模型采用直接線性近似、逆線性近似、保守線性近似等函數(shù)級數(shù)展開方法構(gòu)建顯式近似優(yōu)化模型，在約束處理上采用約束泛化、約束篩選等方法，只選取有效的約束來構(gòu)建近似優(yōu)化模型，有效地減少了計算量。基于近似模型的優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計以桿/梁元剖面積、板元厚度、復合材料結(jié)構(gòu)的分層厚度作為設計變量，以

11、重量最小作為設計目標。靜：廣義位移（位移和扭角）動：自振頻率顫：顫振速度彈：翼面效率、發(fā)散速壓復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 敏度分析：采用解析法求解結(jié)構(gòu)響應對設計變量的導數(shù)，克服了“差分法”求導的缺陷，使解題精度與計算效率完美結(jié)合在一起。 位移導數(shù)： 自振頻率導數(shù)： 顫振速度導數(shù)： 翼面效率導數(shù)： 發(fā)散速度導數(shù)： UKKUjj,1jj,21,3jjjfkkbkbV,2,2jTRjCQL,1,TMFTTTSDaQ1oFFoSDTqS1jTjCQqqDD,TMTqTTDCQ1pFoSCTSqD復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 飛機空氣動力CFD計算、以及與結(jié)構(gòu)分析的耦合是飛機設計的重要特點，這是飛行設計中特殊性。利用復合材料層壓板的剛度方向性和耦合效應，使載荷作用下的翼面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利的彈性變形，從而提高結(jié)構(gòu)性能和靜、動氣動彈性特性。復材層板彎扭耦合特性復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料綜合設計復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計復合材料無人機優(yōu)化設計 超大規(guī)模變量參數(shù)優(yōu)化（10萬變量、100萬局