太阳能飞机翼肋结构拓扑优化设计

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1、第6卷第1期2015年2月航空工程进展ADVANCESINAER()NAUTlCALSCIENCEANDENGINEERINGV01．6NO．1Feb．2015文章编号：1674—8190(2015)01—105—05太阳能飞机翼肋结构拓扑优化设计张碧辉，李洪波，辛树鹏(中国航天空气动力技术研究院特种飞行器总体技术设计部，北京100074)摘要：太阳能15．机翼肋结构轻薄且数量众多，其结构形式的合理性对于结构减重、机翼刚度设计等具有重要意义。基于现有太阳能飞机翼肋的结构形式，提出一种翼肋拓扑优化设计方法：首先，应用双向渐进结构优化法(BESO)．以单元应力

2、为判断指标，对太阳能飞机典型翼肋进行结构拓扑优化；其次，基于拓扑优化结果对翼肋进行结构细节设计；最后．通过有限元计算，验证翼肋的结构强度、刚度和静稳定性。通过本文方法，能够得到太阳能匕机翼肋更为合理的结构布局。关键词：太阳能15l机；翼肋；渐进结构优化法；拓扑优化中图分类号：V224；V214．8文献标识码：ATopologyOptimizationDesignofRibStructureonSolarPoweredAircraftZhangBihui，LiHongbo，XinShupeng(GeneralDepartmentofSpecialAerial

3、Vehicle，ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics，Beijing100074，China)Abstract：Thesolarpoweredaircraftribsarelight，thinstructureoflargenumber．ProperribstructurallayoutsareimportanttOtheaircraftlighteningandthewingstiffnessetc．BasedontheribstructuresofsometypicalSO—larpoweredaircraft，ant

4、opologyoptimizationdesignmethodoftheribsisintroduced：Firstly，atypicalsolarpoweredaircraftribstructureisoptimized。basedonthebi—directionalevolutionarystructuraloptimization(BE—SO)；Secondly，thespecificdesignsoftheribstructurearegiven；Finally，thestructuralstrength，stiffnessandstabili

5、tyoftheribareverifiedthroughfiniteelementmethod．Throughthemethod，moresuitablestructurelay—outsofthesolarpoweredaircraftribscouldbeobtained．Keywords：solarpoweredaircraft；ribs；evolutionarystructuraloptimization；topologyoptimization0引言0．1太阳能飞机翼肋太阳能飞机是以太阳辐射为能源的电推进飞行器，具有航时长、升限高、成本低等特点，

6、可以作为多种任务的飞行平台。受太阳能功率密度低的限制，这类飞机需要较大的机翼面积以安装太阳能电池片。由于能源有限，对太阳能飞机结构重量的限制更加严格，而翼肋虽然个体重量小，但其数量收稿日期：2014—07—01；修回日期：2014-09—15通信作者：李洪波，lee—hong—bo@126．corn众多，故翼肋结构型式的合理性十分重要。国外太阳能飞机的翼肋如图1～图2所示m]。图1瑞士SolarImpulse太阳能飞机翼肋Fig．1RibsoftheSolarImpulseaircraft航空工程进展第6卷I皋J2天【硐Helms太刚能匕机翼肋Fig．3R

7、ibsoftheHeliosaircrafl大型太阳能飞机的翼肋均采用碳纤维复合材料，结构型式为“缘条+腹板+碳管”：缘条用于连接蒙皮和翼梁；腹板用于保持翼型，为了减重普遍在腹板』二大量镂空而形成桁架结构；其中杆件为碳管。这种翼叻与常规15l机翼肋相比结构十分轻，所以除强度、刚度之外，其稳定性也是设计过程中需要着重考虑的因素。0．2飞机结构拓扑优化拓扑优化能在给定的外载荷和边界条件下，通过改变结构拓扑使其在一定约束条件下性能指标达到最优。拓扑优化以其独特的优势在飞机结构设计等诸多领域得到了广泛应用。例如LarsKrog等n】介绍r应用于空客A380翼盒肋与

8、前缘肋的优化方法，DavideLocatelli等[41开发了一种