机翼结构重量预测的多学科分析优化方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252016V01．37No．1235-243lSSN1000—6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．edu．caDOI：10．7527／SL000—6893．2015．0205机翼结构重量预测的多学科分析优化方法余雄庆*，欧阳星，邢宇，王宇南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016摘要：为了克服现有机翼结构重量计算方法的局限性，提出一种基于多学科分析优化的机翼结构重量计算方法。以客机机翼为例，阐述整个计算流程。计算流程的关键

2、步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型的自动生成和结构优化。应用CAD软件CATIA的二次开发方法，实现机翼外形几何模型、结构布置几何模型和气动分析模型的自动生成；应用MSC．Patran的PCL编程技术，实现结构有限元模型的自动生成；应用等效刚度和等效强度方法，提高结构有限元模型自动生成的稳健性，缩短结构分析和优化的计算时间；应用多学科集成和优化技术，建立机翼结构重量预测的计算平台，实现整个计算过程的自动化。算例表明这种方法稳健、有效，可快速地分析机翼外形参数与结构重量之间的关系，分析不同展向载荷分布和不同选材方案对机翼结构重

3、量的影响。关键词：机翼；重量预测；多学科设计优化；有限元方法；等效方法中图分类号：V221文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)01—0235—09部件结构重量的预测和指标确定是飞机总体设计的一项重要内容。如果结构重量预测过于保守，会使飞机总体方案的重量指标缺乏竞争力；相反，如果重量预测过于乐观，在后续的详细设计阶段有可能达不到设计重量指标，导致飞机的性能和经济指标达不到设计要求。因此，如何提高部件重量预测的可信度是飞机总体设计工作中面临的一个重要问题。飞机结构重量预测可以分为两大类¨j：统计方法和物理学方法。统计方法是根据以往的飞机重量的统计数据(几何

4、、性能以及重量等数据)，进行回归分析得到经验公式的一种重量估算方法。这种方法依赖于以往飞机的统计数据，而对于新型布局飞机或采用了新技术、新材料的飞机，由于没有以往数据，这些经验公式不再适用。物理学方法是应用力学原理，通过机翼结构分析来计算结构重量的一种方法。按照结构模型的不同精度，这类方法还可分为3种典型的方法：1)工程梁方法[2‘5]。该方法将翼盒简化为盒型梁，根据机翼载荷进行受力分析，分别计算机翼承剪、承弯及承扭材料的重量，然后将这部分的质量叠加，再乘以修正系数获得翼盒的结构重量。该方法适用于大展弦比机翼结构重量预测。2)等效平板方法∞]。该方法将机翼等效为一系列的

5、平板，能够考虑结构布置的特征，适用于小展弦比机翼的重量预测。3)有限元方法。这种方法能较详细地模拟结构方案，适用范围广，计算精度高，目前受到重视[7-9]。但这种方法的计算过程复杂，在总体设计收稿日期：2015．05—11；退修日期：2015-06—24；录用日期：2015—07-18；网络出版时间：2015—08-1816：34网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V．20150818．1634004htmI基金项目：国家自然科学基金(11432007)；江苏省高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者．Tel．：025—88489

6、2102E·mail：yxq@nuaaedu．crl引嘏椿武l余雄庆．欧阳星，邢宇，等机翼结构重量预溯的多学科分析优化方法!Jj．航空学报．2016t37(1)：235-243YUXQ，OUYANGX，XlNGY，eta1．Weightpredictionmethodofwing-structureusingmultidisciplinaryanalys『sandoptimizationEdJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(，，：235-243236航空学报Jan．252016V01．37No．1阶段还难以实现快

7、速应用。飞机结构重量受众多因素影响，飞机几何外形、气动力分布、结构布置方案、结构材料、载荷等对结构重量均有重要影响。因此，飞机结构重量预测实际上是一个多学科分析和优化问题，可应用多学科设计优化方法来研究这个问题。与传统的基于工程方法的综合优化技术相比，多学科设计优化优势在于：①各学科分析模型采用数值分析模型，而不是工程估算模型，因而可以更加细致深入地分析影响设计方案的各种因素；②较少地依赖统计数据或经验公式，因而可用于非常规布局或采用新技术的飞行器总体设计；③充分采用各学科成熟的数值优化技术；④应用有效的多学科设计优化策略，处理各学科之间