轻型复合材料机翼铺层优化设计与分析.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252015V01．36No61858—1866ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaaedu．crlhkxb@buaaedu．CN轻型复合材料机翼铺层优化设计与分析冯雁1，郑锡涛1’*，吴淑一2，刘振东11．西北工业大学航空学院，西安7100722．清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心，北京100084摘要：在给定全复合材料机翼结构几何外形尺寸条件下，以最高载荷／质量比(P／W)为目标，提出了一种复合材料机翼铺层优化设计与分析方法。主要

2、进行了三方面优化工作：铺层厚度优化、铺层比例优化以及铺层顺序优化。首先，在初始结构方案的基础上，利用有限元分析软件ANSYS对复合材料层合板进行结构优化，得到了复合材料层合板铺层厚度与铺层比例。然后，插值拟合生成结构性能(即P／W)在设计区域的空间分布曲面，量化材料分布对结构性能的影响，得到了最佳材料分配比例，为分析复合材料铺层提供了新方法。最后，根据已经得到的铺层厚度和铺层比例方案，运用遗传算法对铺层顺序进行优化，得到最优铺层方案。根据最终优化的铺层设计方案，加工制造机翼样件并完成了试验验证。数值模拟结果与试验结果非常吻合，其中，破坏载荷的相对误差为一1．91％，

3、结构刚度的相对误差为1．10％。与初始设计相比，载荷／质量比提高了70．23％(忽略翼梢小翼)，证明本文优化工作的合理性与有效性。关键词：复合材料；载荷／质量比；优化设计；结构优化；遗传算法中图分类号：V214．8文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)06—1858—09先进复合材料具有比强度高、比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越等诸多优点，已经被广泛应用于航空结构中。当今世界，复合材料在飞机结构中的应用部位与用量多少已成为衡量飞机先进性和设计水平的一个重要标志[1‘2]。由于先进复合材料层合板具有可设计性，通过调整铺层厚度、铺层比例

4、和铺层顺序可以有效发挥材料的作用以满足不同结构的性能要求，因而复合材料结构的优化设计问题一直是国内外关注的热点问题∞]。国内外很多学者针对复合材料层合板的优化分析问题进行了研究探索。优化设计方法一般可分为5类：力学准则法、直接搜索法、解析搜索法、序列逼近法和特种规划法。针对不同复合材料机翼结构，采用相应的优化分析方法以解决实际工程问题。例如：Kam等[43采用两层优化技术对复合材料夹芯板的方向角和厚度进行优化，提出了一种多起点全局优化方法。Riche和Haft—kaE51采用遗传算法进行了复合材料层合板铺层顺序优化，并分析对比了不同遗传因子对结构的影响。本文针对复合

5、材料无人机，在给定的机翼外形尺寸前提下，提出了初始结构布局方案，并利用前期研究的成果[6]，对本文机翼复合材料层合板进行了铺层厚度优化、铺层比例优化以及铺层顺序优化，旨在探索全复合材料机翼结构铺层优化收稿日期：2014．07—22；退修日期：2014—08—25；录用Et期：2014—09—10；网络出版时间：2014-09—2314：34网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／10．7527／81000—6893．20140220htmI基金项目：西北工业大学毕业设计(论文)重点扶持项目(GCKY9002)*通讯作者。Tel．：029—88

6、495994E—mail：zhengxt@nwpu．edu．CD弓l甬格武}FengY．ZhengXT，WuSY．etalLayupoptimizationdesignandanalysisofsuperlightweightcompositewinggJJ．ActaAero·nauticaetAstronauticaSinica。2015．36(6)：1858．1866．冯罹，郑锡涛．吴淑一．等轻型复合材料祝翼铺层优化设计与分析iJj．航空学报．2015。36(6)：1858-1866．冯雁等：轻型复合材料机翼铺层优化设计与分析设计分析方法。1结构外形和初始方案1

7、．1机翼结构几何外形以及加载方式本文以小型无人机机翼结构为研究背景，提出了初始机翼结构方案，即双梁三闭室盒式结构。其中，机翼翼展为914．4mm，最大截面处弦长为101．6mm。整个机翼由左翼、右翼、中央翼和翼梢小翼组成。机翼结构左右两部分对称，组合后下翼面为平面，后缘在同一条直线上。机翼结构的外形尺寸如图1所示。jcenterofgravib、~eightandrodl401N．LBnloment，oneach、vinglet、WinglUnit：mm图1全复合材料机翼的外形尺寸Fig．1Dimensionsofall—compositewing机翼的试验测试