飞行器结构系统协同布局优化设计技术.pdf

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1、飞行器结构系统协同布局优化设计技术术OptimalDesignTechnologyofCollaborationArrangementforAircraftStructure西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室张卫红夏凉朱继宏张桥张卫红西北工业大学教授、博士生导师。教育部第二批长江学者。国家杰出青年基金获得者。国家新世纪百千万人才工程入选人。1991年获比利时列日大学应用科学博士学位。1992～1999年先后获比利时教育部高级研究员．法国UTBM科技大学高级研究员、终生副教授，法国教育部教授等资格。·国家自然科学基金(10925212、11

2、002113)、西北工业大学研究生创业种子基金(Z2011081)等资助。32航空制造技术·2010年第24期组件子系统的布局和结构构型的协同优化能够有效提高结构系统的力学性能，同时实现结构系统的紧凑性、轻量化目标。新世纪以来，我国航空航天科学与技术日新月异，基于CAE数值仿真和优化设计的现代数字化设计手段极大地促进了航空航天工业的发展。随着新一代研究探索计划的展开，新型飞行器越来越高的性能指标和越来越复杂的服役环境对结构系统的力学性能提出了更加苛刻的要求。为此，我们需要充分利用结构优化设计技术前沿的最新进展，围绕结构系统的轻量化、紧凑性和多功能要求，从

3、基础理论、设计方法、设计平台和制造工艺等不同层面开展创新性研究，从而实现设计流程的数字化和自动化。西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室工程仿真与宇航计算技术研究团队针对飞行器结构系统的协同布局优化设计问题，从设备组件的装填布局优化设计和结构拓扑优化设计2方面开展了系统性研究，解决了大量技术难题，相关研究已发表论文30余篇，并获得了国家自然科学基金和国家杰出青年基金的支持。飞行器结构系统在飞行过程中承受着热载荷、惯性载荷以及由气动载荷引起的冲击、振动等复杂载荷。显然，设备组件的布局和支撑连接结构的构型这2方面因素从根本上决定了结构系统的整体力

4、学性能。为保证飞行器的平衡与稳定性并避免设备或结构的损坏，需要对这2种布局形式进行合理的优化设计。多组件结构系统这一设计模式不仅针对飞行器设计。同时还涵盖了许多其他工业产品，如图l所示。目前，飞行器结构设计领域通常采用传统的参数修正和人工试错相结合的方法，组件和结构布局分别开展串行设计。以卫星为例，多个组件集中安装在结构上，结构系统的布局设计一般有2种模式：(1)首先确定结构形式，然后在预留空间内挂载或安装组件；(2)先将组件摆放到合理位置，然后根据组件的支撑要求设计结构构型。随后，在初步获得组件和结构布局形式的基础上，通过多轮人工调整，最终获得一个可行

5、的设计方案并进行试件加工和加载试验验证。事实证明，这种基于传统经验的人工设计方法是一种顾此失彼的设计模式，不仅研制周期长，也无法体现组件布局和结构构型设计2方面对系统几何、物理特性和综合力学性能影响的耦合关系。迄今为止，虽然几何层面的装填布局优化设计和力学层面的结构优化设计2个单方面技术问题中包含了装填布局优化和结构拓扑优化2种设计类型，分别需要对组件的空间位置和支撑结构的材料布局形式2种设计变量进行迭代更新，最终满足一系列几何、物理和力学承载的设计指标要求Il埘。FCM装填布局优化装填布局优化的最关键难题包括优化问题的定义、组件干涉的规避，对于任意外形

6、轮廓的组件而言，目前几乎无法用显式函数精确描述其几何干涉，也无法建立简单直观的干涉函数形式。圆或球体之间的干涉检测十分简单，只须判断圆心(球心)之间距离是否大于两者半径之图1典型的多组件结构系统图2多组件结构系统布局优化示意图已经获得长足的进展，但同时体现几何装填和结构构型的协同优化设计研究却仍未引起较多关注。本工作以飞行器结构系统的协同优化设计为背景，提出对组件的空间布局和相应支撑结构的拓扑构型同时进行优化设计。图2从概念上解释了本工作所开展的协同优化设计：首先定义若干待布置组件和带有载荷、边界条件的设计区域，优化和即可，同时该距离函数形式简单，易于求

7、导，从而提供规避干涉的寻优方向。如图3所示，一个组件可由一个包络圆族近似描述，并可通过调节包络圆数目、半径和在组件上的相对位置来获得更好的近似效果。因此该方法被命名为有限包络圆方法p】。求解三维装填布局的有限包络圆方法是二维问题的拓展，除了使用包络球来代替包络圆进行组件和设计区域的近似之外，每个组件的空间位置和方向包括6个自由度，即6个几何设计变量。如图4所示，采用21个包络球近似的4个小立方体、35个包络球近似的2个小长方体的组件将被放置在一个用6个大包络球近似的大立方体设计区域内。初始布局下，假设所有组件都被随意放置在设计区域外部，如图5(a)所示。

8、设计目标是在将所有组件放进设计区域以内并获得最紧凑的立方体装填形式。在经过23次