复合材料翼面结构优化设计及分析

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1、第３２卷第１期力学季刊Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１２０１１年３月ＣＨＩＮＥＳＥＱＵＡＲＴＥＲＬＹＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＳＭａｒ．２０１１复合材料翼面结构优化设计及分析柴红普，于哲峰，傅山（上海交通大学航空航天学院，上海２００２４０）摘要：复合材料具有比强度高、比刚度大、抗疲劳等诸多优异性能，在航空航天结构中得到了广泛的应用。复合材料在新研制的飞机上的应用比重也越来越高，在大型民用飞机Ｂｏｅｉｎｇ７８７上，复合材料结构重量占到了全机结构重量的５０％。复合材料层合板具有无与伦比的设计潜力，成为复合材料中使用最多的一种结构形式。本文以某型号飞机机翼翼盒为研究对象，建立了翼盒结构的有限元模型，以结构质量

2、为目标函数，以位移、应变和屈曲因子为约束条件，并利用工程优化软件对复合材料翼面进行优化。整个翼面设计优化过程包括三个阶段：自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化。优化结果表明，通过三个阶段的优化，在满足刚度、强度和稳定性三种约束的要求下，明显减轻了翼面结构的质量。关键词：复合材料；层合板；优化设计；翼盒结构中图分类号：Ｖ２１４．１９文献标识码：Ａ文章编号：０２５４－００５３（２０１１）０１－１０９－０８ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＷｉｎｇＳｋｉｎｓＣＨＡＩＨｏｎｇ－ｐｕ，ＹＵＺｈｅ－ｆｅｎｇ，ＦＵＳｈａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎ

3、ａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００２４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｖｉａｔｉｏｎａｎｄａｅｒｏｓｐａｃｅｉｎｄｕｓｔｒｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｓｏｍｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｓｕｃｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｆａｔｉｇｕｅ，ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｒａｔｉｏｅｔｃ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｈａｓｕｎｍａｔｃｈｅｄｄｅｓｉｇｎｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｓｏｉｔｉｓｕｓｅｄｍｏｓｔ

4、ａｍｏｎｇａｌｌｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｎｅｗｄｅｓｉｇｎｅｄｐｌａｎｅ，ａｎｄｈａｌｆｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｉｇｈｔｏｆＢｏｅｉｎｇ７８７ｉｓａｌｓｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｗｉｎｇｂｏｘｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔｉｖｅａｎｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆａｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｎｇｂｏｘｉｓｃｒｅａｔｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｍａｓｓｉｓｃｈｏｓｅａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕ

5、ｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｔｈｅCAMEO凯模CAE案例库ｓｔｒａｉｎａｎｄｔｈｅｂｕｃｋｌｉｎｇｆａｃｔｏｒｉｓｃｈｏｓｅａｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｎｇｓｋｉｎｓｉｓｏｐ－ｔｉｍｉｚｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｗｉｎｇｓｋｉｎｓｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｓ：ｆｒｅｅ－ｓｉｚｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｓｉｚｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｐｌｙ－ｓｔａｃｋｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅ

6、－ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｓｓｏｆwww.cameo.org.cnｗｉｎｇｓｋｉｎｓｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｒｅｄｕｃｅｄｗｉｔｈｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ａｌｌｏｗａ－ｂｌｅｓｔｒａｉｎ，ｂｕｃｋｌｉｎｇｆａｃｔｏｒａｆｔｅｒｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｌａｍｉｎａｔｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ；ｗｉｎｇｂｏｘ飞机重量与性能及经济性关系密切，减轻飞机结构重量是飞机研制工作中的主要目标之一。复合材料具有比刚度和比强度高、抗疲劳和抗腐蚀性能好等优良的力学性能，在航空、航天结构中

7、得到了广泛的应用，其应用范围由最初的次承力结构扩展到现在的主承力结构。复合材料层合板具有无与伦比的设计潜力，成为复合材料中使用最多的一种结构形式。复合材料层合板提供了广阔的设计空间，这给设计过程和软件带来了新的挑战。层合板设计过程中典型的设计变量为铺层角度、铺层厚度和铺层顺序，但在许多工程应用中，纤维角的取值局限在一定范围内，如０°、±３０°、±６０°、±４５°和９０°等。ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ是以有限元收稿日期：２０１０－０９－０２作者简介：柴