飞机蒙皮厚度连续变化要求下的结构强度优化设计.pdf

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1、第46卷第3期2014年6月南京航空航天大学学报JournalofNanjingUniversityofAeronautics&AstronauticsV01．46No．3Jun．2014飞机蒙皮厚度连续变化要求下的结构强度优化设计李琦邱志平(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京，100191)摘要：基于有限元法，提出了使用满应力设计方法对飞机蒙皮厚度进行优化设计。首先基于满应力法对各个单元厚度进行迭代更新，接着考虑蒙皮厚度的连续性要求，应用邻近单元厚度加权平均法对单元的厚度进行修正。在进行厚度加权平均后，对单元厚度进行整体修正来保证蒙皮厚度分布满足应力约束条件。

2、该方法同时适用于金属蒙皮与复合材料蒙皮。数值算例验证了该方法的可行性和有效性。关键词：结构强度；满应力法；机翼蒙皮；有限元；应力约束中图分类号：V24文献标志码：A文章编号：1005—2615(2014)03一0377一05StructuraloptimizationofWingSkinConsideringRequirementofContinuityofThicknessLig，Q群Z悬i夕i咒g(sch001ofAeromuticScienceandEngineering，Be巧ingUniversityofAeromuticsandAstmnautics，Be

3、巧ing，100191，Chim)Abstract：Basedonthefiniteelement，amethodbasedonfuUstressruleisproposedforthethicknessoptimizationofwingskin．Firstlybasedonfullstressrule，thethicknessofeachelementisupdated．Theninordertomeettherequirementofcontinuity，thethicknessofeachelementismodifiedbyweigh—tedaveragem

4、ethod．Afterperformingtheweightedaveragemethod，anoverallmodificationisimple—mentedforskinthicknessdistributiontoensurethata11elementssatisfiesthestressconstraints．Thismethodisapplicabletoproblemsinvolvingwithmetalskinandcompositeskin．Finally，numericalex—amplesdemonstratethefeasibilityand

5、effectivenessoftheproposedmethod．Keywords：strengthofstructure；fullstressrule；skinofwing；finiteelementmethod；stressconstraint减重是航空航天飞行器设计永远的课题。蒙皮和长桁是机翼的重要承力结构[1]。蒙皮的主要作用是承受横向气动力并将其转换成机翼的弯矩和扭矩。如果蒙皮设计不合理，就会由于蒙皮局部的应力过大而导致结构的失效。因此研究并设计满足许用应力的最轻蒙皮厚度分布是蒙皮设计的一项重要工作。此外，高性能复合材料可以大大减轻飞行器的重量[2]，所以研

6、究复合材料蒙皮的厚度分布更有实际的意义。传统的对蒙皮厚度的优化设计[3吨1大多假设各个屏格蒙皮厚度都是相同，这导致了材料的浪费，增加了飞行器的重量。本文基于有限元法假设蒙皮厚度是随着单元不同而变化的，即蒙皮为变厚度蒙皮。设计的目标函数为蒙皮质量最轻，约束条件为各个单元满足许用应力。对于这样的多变量、多约束优化问题，现有的数学规划方法很难求解。针对这一困难，可以用满应力法进行求解。满应力方法[910]是直观准则法的一种，建立在直观的物理概念基础上：在确定外载荷作用下，当各个单元的应力都达到许用应力，此时结构的重量最轻。对于多基金项目：高等学校学科创新引智计划(B0700

7、9)资助项目；国家自然科学基金(11372025，11002013)资助项目；国防基础科研计划基金资助项目。收稿日期：2013—12—24；修订日期：2014一03—17通信作者：邱志平，男，教授，博士生导师，Bmail：zpqiu@buaa．edu．cn。378南京航空航天大学学报第46卷数工程结构，满应力解往往接近最优解，而且基于满应力法的优化方法在普通程序上添加一段代码即可实现。本文首先基于满应力的思想，给出金属蒙皮单元的厚度迭代更新公式。由于单纯采用满应力方法得到蒙皮厚度不连续，加工性较差，所以应用邻近单元厚度加权平均的方法对单元的厚度进行修