民机机身下部结构耐撞性优化设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252012V01．33No4840—649ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．∞hI‘xb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)04—0640·10民机机身下部结构耐撞性优化设计郑建强，向锦武。，罗漳平，任毅如北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘耍：针对含多设计参数的典型民机机身下部结构耐撞性设计，提出了一种设计方法，该方法以最小化客舱地板的初始加速度峰值与最大化参考压溃状态的结构内能为优化双目

2、标，通过Kriging模型对结构的冲击响应进行预测，采用非支配排序遗传算法II(NSGA-II)对双目标进行优化，进而由Nash-Pareto策略获得最优方案。为了得到最优设计方案，同时研究设计参数对机身结构耐撞性的影响，提出最大化期望提高与最大化预测方差同步加点准则建立代理模型，采用该设计方法，以典型民机机身下部结构设计问题为算例，对客舱地板支撑结构、货舱地板和泡沫构件形状参数进行优化。结果表明，相对原始设计客舱地板的加速度峰值降低约18．3％．次高加速度峰值也得到有效降低，改善了机身结构的耐撞性；Kriging模型预测响应与有限元分析结果误差小于1％，说明了设计方法的有效性

3、。关键词：耐撞性；机身；优化；Kriging模型；非支配排序遗传算法lhNash-Pareto策略中圈分类号：V271．1文献标识码tA尽管当今世界民用航空安全性已大为提高，然而飞机的坠撞事故总是难以完全避免。在发生可生存坠撞事故时，民机结构的耐撞性设计可以提高机上乘员的生存潜力[1]。适航标准对民用飞机的耐撞性能也有明确要求[2]。民机机身结构耐撞性的系统研究始于20世纪70年代，美国联邦航空局(FAA)和美国国家航空航天局(NASA)通过开展大量机身段与整机的全尺寸坠撞试验，研究了机身整体结构及重要部件的冲击响应与破坏模式，并为进一步建立有效仿真模型积累了试验基础口．6]。

4、近年来，国内研究人员针对民机耐撞性结构布局与吸能元件设计也开展了很多研究工作，包括客舱地板支撑对耐撞性的影响口4]、波纹板的吸能特性与布局的研究[91“、油箱结构对耐撞性的影响口21，含泡沫材料的机身一体化设计[1朝等。为研究多设计因素共同作用下机身结构的最佳耐撞性设计方案，需采取结构耐撞性优化设计方法。然而，由于机身结构复杂．且冲击过程具有材料、几何与接触等非线性。使耐撞性优化目标通常无法显式表达，利用基于灵敏度分析的优化理论进行优化设计难度较大；而智能优化算法通常需对大量方案进行分析，计算开销很大。因此建立结构冲击响应分析的代理模型，利用代理模型替代结构的真实响应，然后对代

5、理模型进行优化，使设计效率有很大提高，这成为近年来结构耐撞性优化的研究热点n+17]。目前，耐撞性优化研究工作大多集中于吸能元件或构件的优化设计，而对于吸能元件与复杂机身结构耦合情况下通过优化提高整体结构耐撞性的研究则较少。基于此，本文以典型民机机身下部结构为研究对象，以最小化客舱地板的初始过载峰值与收稿日期：2011-06．28；退修日期：2011-07-25；录用El期：2011．09-27；网络出版时间：20”·10-1114：”网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detaU／11．1929．V．201110”．1411．006．It=hi∞I：C瞰I：”·19

6、29／V．201110”．1411．006基金项目：国防科工委民机科研资助项目*通讯作者．Tel．：010-82317543E．mall：xianglw园buaa．edu．佣戥愚接武

7、Zl∞ngJo．XiangJw．LuoZP．etal．Crashworthlnessoptimizationofcivilaircraftsubfloorstructure．AcfaAeronauticaetAstro-nauticaSlnica．2012．33(4)}540-649．鄄建强，向罐武-罗漳平，等．民机槐身f部结构耐撞性优化设嚣，航空学报．2012，33‘4)t640649郑建强等：

8、民机机身下部结构耐撞性优化设计最大化参考压溃状态的结构内能为设计目标，对客舱地板支撑结构、货舱地板和泡沫构件形状参数进行研究。在满足设计效率与可信度的情况下，形成代理模型一遗传算法一Nash—Pareto策略[183的耐撞性设计方法。给出各设计参数对客舱地板处加速度峰值的影响，并提出了最优设计方案。1优化设计模型I．1典型机身框段模型典型民机机身框段结构如图1所示，隔框、蒙皮、客舱地板、客舱地板支撑和货舱地板下部结构是机身框段的主要构件。由于泡沫材料具有良好的吸能特性同时密度较低，因此文献[