材料設(shè)計論文：工程材料構(gòu)造改善設(shè)計剖析范文

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作者：周宏霞劉斌單位：西北工業(yè)大學(xué)365研究所西安愛生技術(shù)集團公司飛機室

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)形式、材料以及初步估算的結(jié)構(gòu)尺寸，建立分析模型。依據(jù)機翼結(jié)構(gòu)的對稱性及載荷對稱性可得邊界：機翼與機身連接處的節(jié)點有節(jié)點位移δx=0、δy=0、δz=0。整個模型共500個節(jié)點，1643個單元，4套外載荷，10個氣動分區(qū)，205個氣動小塊。分析模型見圖2。

滿應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計

滿應(yīng)力設(shè)計是通過劃分結(jié)構(gòu)設(shè)計區(qū)和選擇關(guān)鍵元的方法實現(xiàn)的。設(shè)計區(qū)中包括若干個有限元件，從諸元中選出有代表性的元件作為關(guān)鍵元，只對關(guān)鍵元進行強度比再設(shè)計。計算時可將結(jié)構(gòu)分為設(shè)計區(qū)和非設(shè)計區(qū)。每個設(shè)計區(qū)受一個變量控制，通過再設(shè)計得出各設(shè)計區(qū)中諸關(guān)鍵元新的尺寸A（k）ij后，再從中選出最大的作為該區(qū)的統(tǒng)一變量D（k+1）ij（i∈某區(qū)，j∈該區(qū)的關(guān)鍵元），然后考慮最大、最小變量約束，再進行下一輪迭代，這就是通常所說的結(jié)構(gòu)元件尺寸（A）與設(shè)計變量（D）之間的耦合關(guān)系。對非設(shè)計區(qū)，將不指定關(guān)鍵元，在設(shè)計中該區(qū)元件尺寸不作改變。

滿應(yīng)力設(shè)計的初始設(shè)計值取工程估算法估算的初步值，設(shè)76個設(shè)計區(qū)、646個關(guān)鍵元、164個設(shè)計變量。表1給出了滿應(yīng)力設(shè)計結(jié)果。結(jié)果表明，經(jīng)7次迭代收斂，結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯下降，結(jié)構(gòu)減質(zhì)量24.478kg（14.3%）。經(jīng)過滿應(yīng)力設(shè)計后，各設(shè)計區(qū)尺寸得到調(diào)整，主要體現(xiàn)在緣條面積下降（有的還退回最小限），蒙皮局部厚度增加，總體分布合理。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法優(yōu)化設(shè)計剪裁

在滿應(yīng)力設(shè)計的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)規(guī)劃法進行多約束優(yōu)化設(shè)計，獲取滿足各種設(shè)計要求的最終設(shè)計，具體來說是將優(yōu)化設(shè)計歸結(jié)為求解下述數(shù)學(xué)規(guī)劃問題：尋找一組設(shè)計變量其中：（fX）為依賴于設(shè)計變量向量X的目標函數(shù)；gj（X）為性狀約束函數(shù)；xLi和xUi分別為設(shè)計變量xi的下限與上限；m表示設(shè)計變量數(shù)；n表示約束數(shù)。進行數(shù)學(xué)規(guī)劃法設(shè)計首先要確定約束限，需要把滿應(yīng)力設(shè)計結(jié)果值返回分析模型，根據(jù)再分析結(jié)果確定約束限。這里考慮把主翼盒設(shè)計成強緣條薄蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，初始141.23kg的結(jié)構(gòu)質(zhì)量也可以接受，因此將滿應(yīng)力設(shè)計結(jié)果值返回時，局部調(diào)整設(shè)計變量的下限，使緣條面積不再下降。結(jié)構(gòu)進行再分析，計算結(jié)果為：U245653mm，f16.8Hz，η0.81，vF252.3m/s，W141.23kg。

從滿應(yīng)力設(shè)計結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求、強度要求、以及顫振包線，最終規(guī)定出數(shù)學(xué)規(guī)劃法設(shè)計的約束限為：1）位移約束1個，翼尖后緣點的Y向位移值U245≤628mm；2）振動約束1個，f1≥6.9Hz；3）靜彈約束1個，內(nèi)、外副翼俯仰效率η≥0.815（Ma=0.8，13km）；4）顫振約束1個，vF≥300m/s（海平面）。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法設(shè)計設(shè)有50個設(shè)計區(qū)、122個設(shè)計變量（設(shè)計區(qū)為主翼盒段的上下蒙皮、縱向梁緣條和梁腹板）。表2給出了在位移、振動、顫振約束下的最小結(jié)構(gòu)質(zhì)量設(shè)計結(jié)果?？梢?，經(jīng)4次迭代后，全部滿足約束條件，結(jié)構(gòu)質(zhì)量僅增加10kg左右，而位移降低72.3mm，顫振速度提高了47.66m/s（占18.9％），充分表明優(yōu)化設(shè)計后結(jié)構(gòu)效率明顯提高。多約束優(yōu)化變量收斂后，從優(yōu)化尺寸分析看，內(nèi)外翼轉(zhuǎn)折部蒙皮的±45°和0°鋪層厚度都明顯增加，這種尺寸分布可以提高結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，對綜合滿足多種約束條件有利。為進一步說明±45°、0°和90°鋪層比例對結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率的影響，詳細分析了在相同鋪層厚度的情況下，機翼振動、顫振特性隨蒙皮不同鋪層比變化情況，見表3。

表3中f1、f2、f3、vF分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)的一彎、二彎、一扭頻率和顫振發(fā)散速度，可以看出，在相同鋪層厚度的情況下提高±45°鋪層比例，可有效提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)頻率，從而提高結(jié)構(gòu)的顫振速度。

結(jié)論

機翼初步設(shè)計階段，在確定的結(jié)構(gòu)形式、材料以及初步估算結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)對機翼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計剪裁，能快速實現(xiàn)滿足結(jié)構(gòu)靜強度約束條件的結(jié)構(gòu)件總體尺寸調(diào)整和保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小前提下滿足各種設(shè)計要求的最終設(shè)計尺寸確定，實現(xiàn)對大展弦比復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)的靜、動、氣彈綜合優(yōu)化設(shè)計。

經(jīng)過載荷、結(jié)構(gòu)、靜強度、氣動彈性與伺服氣動彈性設(shè)計、分析、綜合與優(yōu)化的反復(fù)迭代、多輪逼近與逐步細化，最終形成了滿足設(shè)計要求的合理、可行的無人機大展弦比復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)方案。無人機制造完成后，經(jīng)飛行和試驗驗證，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計剪裁是快速有效的設(shè)計途徑，不僅縮短研制周期，而且提高了結(jié)構(gòu)效率。