基于准则法的飞机薄壁结构可靠性优化设计

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1、基于准则法的飞机薄壁结构可靠性优化设计：　　针对传统的安全因数法考虑载荷和强度不确定性因素对飞机安全性的影响太笼统，无法从根本上减轻飞机结构质量的问题，提出一种飞机结构可靠性优化设计方法.根据应力强度干涉模型计算结构单元的可靠度，建立以单元满可靠度为准则的优化模型，实现包含可靠性约束的结构尺寸优化.该功能已经加入到PASS中.算例结果表明该方法能够减轻结构质量，改善结构可靠度.该方法为开展飞机结构不确定性设计提供技术手段.　　关键词：　　飞机；薄壁结构；准则法；可靠性；优化设计；关键元；PASS　　：V214.

2、19　　文献标志码：B　　0引言　　随着轻质材料的大量应用，飞机结构的质量越来越轻、性能越来越好.例如，欧美两大飞机制造商空客和波音公司最新研制的A350和B787客机，复合材料的使用量已达到甚至超过50%，新型金属合金材料也占有较高的比例.轻质材料的大量使用虽然能大幅减轻结构质量，但并不能从根本上解决结构质量突出的问题，主要原因在于当前飞机结构设计仍沿用确定性设计思想即安全因数法，该方法比较保守，笼统考虑载荷和强度不确定性因素对安全性的影响.[1]为解决传统设计存在的不足，飞行器设计尝试开展可靠性设计.[2]

3、在现有工程结构优化的基础上，本文提出一种可行的结构可靠性优化设计方法，并以结构优化设计系统PASS为平台，研究考虑可靠性约束的结构优化设计.目前，该方法主要针对飞机薄壁结构，其他结构需展开相应研究，包括失效分析和可靠性分析等.　　1优化设计现状　　结构优化设计将力学概念和优化技术有机结合，根据工程结构设计要求，利用数学手段找出满足要求的可行解甚至最优方案.实践证明，结构优化设计能缩短设计周期，提高设计质量和水平，经济效益和社会效益显著.从优化基础看，结构优化包括确定性优化和不确定性优化.传统优化属于确定性优化范

4、畴，蔡新等[3]系统阐述和介绍工程结构优化设计基本理论和工程应用；李为吉等[4]比较全面地总结飞机结构优化设计方法和技术现状；何水清等[5]全面阐述结构可靠性原理、分析方法和设计过程等.不确定性优化的一个重要研究方向是可靠性优化设计.[68]传统的飞机结构优化设计主要有准则法和数学规划法两类.数学规划法主要用于寻找全局最优解，但敏度分析花费时间较长，特别是在处理大量应力应变约束方面非常困难，因此很少用于飞机结构强度优化.准则法物理概念比较清晰，虽然得到的不是最优解，但求解速度比较快，是工程中解决飞机结构强度优化

5、的常用方法.　　满应力法是结构强度优化准则法中非常有代表性的方法之一，已成为PASS处理工程优化问题的重要技术手段.[9]满应力设计虽然减轻结构质量，但是降低结构安全裕度，增加结构发生破坏的概率.采用输电塔结构对目前满应力法存在的问题进行说明，优化后单元安全裕度见表1（数据来自于PASS算例手册），可知，经过优化后2，3，4，5，6，9，18和21号杆元的安全裕度已经非常低，有的已经是负值，说明这些杆元的静强度已经不够，发生破坏的概率明显增大，结构可靠度显著降低.