論矩形加筋板結構優化設計范文

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對于一架典型的航空器，增加0.45kg的額外空機結構重量，大約需要增加4.5kg的飛行總重才能使其性能保持不變，可見一點非常小的多余重量就會導致航空器性能優劣出現很大差異。因此想設計出一架高效能的航空器，即能夠承載高百分比的有效載荷，減輕結構重量顯得尤為重要。加筋板結構，特別是復合材料加筋板結構，由于重量輕，承載能力強，因而已被廣泛地應用于航空航天等工程領域，對加筋板結構進行優化設計，對減輕飛機重量具有重要的研究價值。彭春雷等通過ANSYS軟件對機翼典型加筋整體壁板進行了優化設計及分析，并與原鉚接壁板進行了數值比較分析；鐘煥杰等研究了基于拓撲優化指導薄板加筋來實現減重效果的方法；程家林等提出了并行子空間的優化方法并對復合材料加筋板結構進行了布局優化設計。茅佳兵等對機翼的復合材料加筋壁板進行了優化設計。馮宇等對航空復合材料加筋板進行了壓縮及破壞載荷，并與有限元結果進行了對比；鄭俊鋒等對均布平壓載荷下，四邊簡支矩形加筋板，提出了一種基于傳力路徑拓撲優化的工程方法；孔斌等采用ABAQUS軟件對復合材料整體加筋板軸壓后屈曲失效評估方法進行了研究，并與試驗結果進行了對比。本文針對直升機設計中給定的材料，載荷及邊界條件情況下，對矩形加筋板進行優化設計，使設計的結構在滿足重量、工藝可實施性的前提下單位重量下的承載能力最大，分析思路和方法可以為矩形加筋板的設計提供參考。

一、矩形加筋板的優化設計

矩形加筋板結構通常均由薄板和相應的加強筋組成。對薄板結構進行加筋優化處理，能夠使結構在不增加重量的前提下而改善結構的承載能力，因而對加筋板進行結構優化已成為提高薄板結構承載能力的主要方法之一。薄板加筋結構可以通過改變筋條的截面形式、間距以及薄板的尺寸來滿足工程實際對加筋板結構強度、剛度和穩定性等方面的要求。某型直升機結構設計中可選用的材料為鈑金2A12－CZ或者復合材料3234/U3160/43，其力學性能如表1、2所示。為滿足工藝性要求，鈑金件需從厚度為0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm的規格中選取。筋條采用標準型材、鉚釘采用常用牌號。采用單面筋條，筋條數目不限，筋條端頭與腹板上、下邊緣邊距為2.0mm。為了使結構不破壞，結構承載能力不應小于15000N，并且結構一階模態避開1.5Hz，重量不超過0.6kg，設計矩形加筋板結構使單位重量下的承載能力最大。

二、有限元承載能力分析

根據前述優化進行概念選型設計壁板，根據優化結果布置筋條，利用Patran建立加筋板有限元模型如圖9所示，分別對壁板和筋條材料均采用金屬材料（鋁合金2A12－CZ）或均采用復合材料（3234/U3160/43，鋪層位0和90交替鋪設）進行有限元分析。底邊固支，頂邊和側邊約束Z向位移，頂邊施加單位均布壓縮載荷。筋條與壁板通過鉚釘連接。假設每個鉚釘重為0.5g，共50個，總重為0.025kg。結語通過對筋條的形狀優化，板的拓撲優化，然后將整個加筋板的布局優化問題歸整為拓撲優化和形狀優化的綜合問題，得到了矩形加筋板的最優結構布局，根據給定材料和載荷大小以及工藝實施性等限制條件，考核得到承載效率相對較高的設計。實際生產制造過程中還需要考慮制造經濟成本等因素，但分析思路和方法可以為矩形加筋板的設計提供參考。

作者：滿林濤；楊嬋