基于Msc.Nastran的T型尾翼优化设计研究

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1、第40卷第5期2010年9月航空计算技术AeronautjcalComputingTechnjqueV01．40No．5S印．2010基于Msc．Nastran的T型尾翼优化设计研究李亮，孙秦(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：建立了T型尾翼的有限元模型，并使用Msc．N幽t瑚对T型尾翼结构进行优化。为了获得更轻的平尾结构重量，将平尾从T型尾翼中取出单独进行优化，并研究了优化变量分区的细化、优化变量的增加对优化结果的影响，并再次对T型尾翼结构进行优化。优化工作显著降低了平尾结构的重量，并得到了一些重要结论，为

2、以后的T型尾翼优化设计提供了宝贵经验。关键词：T型尾翼；平尾；优化；优化变量中图分类号：v214．19文献标识码：A文章编号：1671．654x(20lO)05．0063．04引言T型尾翼是民用飞机和运输机经常采用的布局，其平尾高置在垂尾翼尖，这种布局具有较好的气动、操纵和结构性能。在对某型飞机的T型尾翼进行结构设计时，为了获得最轻的结构重量，并保证满足强度、刚度等要求，建立了T型尾翼结构有限元模型，并使用Msc．Nastran进行优化。但是优化后得到的结果显示，平尾结构的重量比预期偏大较多，所以决定将平尾从T型尾翼中取出单

3、独进行优化，并进一步优化T型尾翼，以获得更轻的平尾结构重量。本文还研究了对平尾进行结构优化时，优化分区的细化、优化变量的增加对优化结果的影响。在该T型尾翼的平尾及垂尾的蒙皮壁板和梁腹板上采用了复合材料薄壁结构。复合材料薄壁结构在受复杂载荷作用时，常会发生屈曲而导致结构丧失稳定的承载能力。因此在本文中所进行的对T型尾翼以及对平尾的优化，不但要考虑静强度约束，还要考虑屈曲约束。1结构优化介绍结构优化问题的数学模型是一个约束极值问题，在实际应用中通常是指对结构参数进行优化。结构参数优化是指对结构元件的截面尺寸进行优化选择，在强度、

4、刚度和稳定性等约束条件下获得重量等的极值效益。对静力学问题，即获取结构的最小重量，其数学表达式可描述为：．Min肜(X)subjecttog；(x)≤赢(i=1，2，⋯，mI)^。≤^。(X)(i=1，2，⋯，，，12)础i≤加i(x)≤试(i=1，2，⋯，，，13)带上、下划线的变量为确定的上、下限约束值。设计变量x=[z，，戈：，⋯，菇。]T构成设计空间R”的设计向量，即XE彤。通常设计变量X有工程上的上、下限取值，即：菇i≤戈i≤五，(i=l，2，⋯，n)。约束函数gi，矗i及加i，通常又称为状态变量。由于目标函数形与

5、这些状态变量都是设计变量的函数，故在数学上称设计变量x为自变量，而目标函数和状态变量称为因变量。满足状态变量约束限值的那些设计变量列称为可行设计集合。通常对状态的界限放宽到一个小的容许误差，以使数值计算可操作性更强。最佳设计变量集是指具有最低目标函数值的那些可行设计变量集；或者，若所有设计变量集都不是可行的，则最佳设计变量集指最接近于可行设计变量的那些不可行设计变量集。用以解决结构优化问题的方法有很多，本文中所进行的基于Msc．Nastran的优化采用了序列二次规划法。序列二次规划法假设目标函数是连续可微的，其基本思想是将目

6、标函数以二阶拉氏方程展开，并把约束条件线性化，使得优化转化为一个二次规划问题。这种算法已比较成熟，它的计算流程见图l。收稿日期：20lO．05．2l修订日期：2们0。05．28作者简介：李亮(1984～)，男，河南信阳人，硕士研究生。研究方向为飞行器结构设计。·64·航宅计算技术第40卷第5期图1序列二次规划法优化流程图2T型尾翼整体优化在将平尾从T型尾翼中取出单独进行优化之前，先将先前对T型尾翼整体所做的优化介绍如下，并根据该次优化结果求得平尾结构的重量。2．1有限元建模及优化分区T型尾翼整体结构由垂尾、平尾、中央翼盒以及

7、整流罩等构件构成。在本文算例中，垂尾及平尾的蒙皮壁板和梁腹板采用复合材料层压板，长桁、肋腹板及缘条采用铝合金结构，平尾与垂尾的前后连接处采用钛合金，整流罩蒙皮则采用了蜂窝夹芯结构。先在CAT—IA中建立T型尾翼的三维几何模型，并将该几何模型保存为．igs文件，导人Hype瑚esh中划分网格建立T型尾翼的有限元模型(图2)。图2T型尾翼的有限元模型在该步优化中，主要是对蒙皮的厚度、梁缘条的截面积、梁腹板的厚度以及中央翼盒进行尺寸优化，使其在满足相关的约束条件下。总重量获得最轻。平尾变量分布是蒙皮分为上下2个部分，每部分沿展向分

8、为9个区，每个分区沿弦向从后梁指向前梁划分为2～4个区不等，左右对称所有对称部位为同一分区；梁腹板和梁缘条都是沿展向分为9个区。蒙皮和梁腹板是复合材料铺层，共铺设8层，90。／450／一450／oo对称铺设，每个区有4个变量，分别是这4层的厚度。垂尾变量分布是蒙皮从后梁指向前梁分为A、B、