基于有限元分析和结构优化的飞机垂尾质量估算

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1、基于有限元分析和结构优化的飞机垂尾质量估算摘要：为在总体设计阶段较准确地估算飞机的质量，以垂尾为研究对象，提出基于有限元分析和结构优化的垂尾质量估算方法.该方法的主要步骤为：用CATIA实现垂尾的参数化定义并生成CAD模型；用AVL软件进行气动载荷分析；用PCL编写程序将CAD模型导入MSCPatran中，并应用其结构优化功能计算得到垂尾质量.在iSight中实现该估算方法的过程集成•用该方法估算某客机的垂尾结构质量，结果表明该方法可行.关键词:飞机垂尾;质量估算;参数化结构模型；有限元；结构优化中图分类号：U441.5;U444.18

2、;TB115文献标志码：BMassestimationofaircraftverticaltailbasedonfiniteelementanalysisandstructureoptimizationCHENJianbol,LIHaitao2,YUXiongqingl(1.CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;2.ShanghaiAircraftDesignandResearchIn

3、stitute,Shanghai200232,China)Abstract：Toachievemoreaccurateestimatationofaircraftmassatgeneraldesignstage,theverticaltailistakenasthestudyobjectandamassestimationmethodisproposedbasedonfiniteelementanalysisandstructureoptimization.Themainstepsofthemethodis:theparametriza

4、tiondefinitionandCADmodelisimplementedbyCATIA;aerodynamicloadisanalyzedbyAVLsoftware;theprogramisimplementedbyPCLtoimportCADmodelintoMSCPatran,andtheverticaltailmassisestimatedbystructureoptimizationfunctionofMSCPatran.TheprocessoftheestimationmethodisintegratediniSight・

5、Themassoftheverticaltailofanairlinerisestimatedbythemethod,andtheresultsindicatethefeasibilityofthemethod・Keywords：aircraftverticaltail;massestimation;parametrizationstructuremodel;finiteelement;structureoptimization0引言飞机质量估算是飞机总体方案论证的重要内容之•准确、可靠的质量估算是比较各种总体方案和确定总体参数的重要依

6、据之一，是保证飞机总体方案能达到设计指标的基石，同时也是制定各部件和分系统质量指标的依据•如果质量估算过于保守，则无法得到飞机最优总体方案，使其缺乏竞争力；相反，如果质量估算过于乐观，则会导致飞机总体方案存在很大风险，给后期的质量控制带来很大的麻烦，甚至制造出来的飞机有可能达不到设计指标•因此，质量估算是飞机总体方案论证的关键环节之一.在飞机总体方案设计阶段，飞机结构质量的估算方法可分为3类：（1）基于统计的方法；（2）基于工程梁理论的方法；（3）基于结构有限元模型和结构优化的方法.第3种方法的计算精度最高，近年来日益受到重视.[1-2

7、]本文针对客机总体方案的垂尾结构质量估算问题,应用有限元分析和结构优化的方法研究垂尾结构质量的估算•其基本思路为：根据飞机总体设计方案生成垂尾结构CAD模型，并进行载荷分析；根据垂尾CAD模型和所承受的载荷生成垂尾的结构有限元模型；在结构有限元模型基础上进行结构优化，获得最佳结构设计方案；根据该方案，计算垂尾结构质量.1垂尾结构的参数化CAD模型垂尾主要由垂直安定面、方向舵和背鳍等组成.垂直安定面作为承力系统的主要部件，其结构布局安排得是否合理，对结构效率有重要影响.在垂直安定面众多的结构布局形式中，本文选用双梁式结构布局，它既可以保证

8、结构前面部分有足够的强度和刚度，又便于后面部分悬挂舵面.垂尾盒段为承力的主要结构，为简化模型，同时又能反映垂尾的主要承力结构特点，本文主要针对垂尾盒段建立结构有限元模型.垂尾盒段的外形参数化是通过CATIA