复合材料结构优化技术在飞机设计中的应用.pdf

《复合材料结构优化技术在飞机设计中的应用.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、．现代设计与先进制造技术·姚铭张仲桢复合材料结构优化技术在设Z复合材料结构优化技术在飞机设计中的应用姚铭，张仲桢(1．南京航空航天大学无人机研究院，江苏南京21001)(2．中国商飞上海飞机设计研究院，上海200232)摘要：采用复合材料结构设计及优化方法，通过编译程序将工程软件CATIA、分析计算软件MSC．PATRAN和优化软件iSIGHT结合，将基于CAD／CAE技术的复合材料结构设计及优化技术融入飞机设计中，有效优4e．-~机复合材料结构，减轻飞机结构质量。该方法的优点是：(1)在设计铺

2、层阶段就考虑铺层在复杂曲面上的展开形状：；(2)能便捷地优化复合材料的结构设计。关键词：飞机复合材料结构设计；CAD／CAE技术；结构优化中图分类号：V22文献标识码：A文章编号：1672—1616(2011)07—0017—05在现代飞机设计中，使用复合材料，能够在保证传统的设计方法存在诸多弊端：人工设计计算飞机零部件的强度不降低的情况下，有效减轻飞机速度慢且易出错，设计计算采用经验估算法，串行的质量。到目前为止，国内外各种先进型号的战机顺序工程设计使设计改动量大，产品开发周期长，中，复合材料

3、的使用量已达到飞机结构质量的成本过高；只有专业人员才能看懂设计图纸。目前25％。我国大部分的复合材料零件设计采用基于边界面飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流与实体的CAD系统，它仅仅用平面的符号表示如罩、安定面等次承力结构，目前逐渐向主承力结构蜂窝、铺层等复杂曲面复合材料结构。这种设计方过渡，已广泛应用于机翼、机身等部位。空客公司法在复杂曲面轮廓上应用复合材料存在潜在的制在A380上就将大量的碳纤维复合材料大型构件造变形复杂曲面的铺层展开形状难以确定的问应用在主承载部位。题【2l。随着计算

4、机硬件水平的发展，以及工程软件的1基于CAD／CAE技术的复合材料日益完善，CAD／CAE技术在复合材料结构设计中显示出了明显的优势_3J。CAD(ComputerAided结构设计Design，计算机辅助设计)包括产品的构思、功能设1．1基于CAD／CAE技术的复合材料结构计、结构分析、加工制造等。CAE(Computer—设计技术的优点AidedEngineering，计算机辅助工程)包括用计算目前，在飞行器结构中应用的结构复合材料主机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，要以纤维增强的

5、层合复合材料为主，这种类型的材及优化结构性能等。随着计算技术的发展，设计人料能充分体现复合材料的高比强度、高比刚度与出员可以利用CAD／CAE技术建立产品的数字样机，色的韧性和弹性变形能力，可设计性好，是飞行器并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程结构中理想的高性能材料，其最大的弱点是容易产校验、有限元分析和计算机仿真。在产品开发阶生层问分层，导致结构的刚度和强度急剧下降，疲段，即可发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低劳胜能恶化。所以设计中通常采用较高的安全系了产品开发成本。在产品维护检

6、修阶段能分析产数，但这将导致2个不良后果：一是制约了复合材品故障原因，分析质量因素等。料的大量使用；二是难以发挥材料的性能。要使层1．2应用基于CAD技术的复合材料结构合板材料扬长避短，就必须增强其面外性能，而其设计实例面外性能的好坏很大部分取决于复合材料的结构以下是一种基于CAD技术的复合材料结构设设计水平【1l。收稿日期：2011—03—1l作者简介：姚铭(1982一)，男，江苏赣榆人，南京航空航天大学助理工程师，硕士，主要研究方向为飞机总体结构设计。．现代设计与先进制造技术·姚铭张仲桢复合

7、材料结堕表2复合材料结构层合板尺寸变量lTlIn判定复合材料结构的强度是否满足设计要求需要确定合理的判别准则，该准则应同时包含材料图4玻璃布的展开平面图的基本强度和实际应力分量，并可通过它们来判别材料结构优化方法，是在上节的技术基础上进行后材料在实际应力场下是否已经失效，因此也称之为续的有限元分析计算和结构优化。分析计算采用强度准则。的软件为MSC．PATRAN，它是一个集成的并行框在定义优化的过程中，MSC．PATRAN同样可架式有限元前后处理及分析仿真系统，具备一个完以设置复合材料应力、应变

8、、失效指标的约束或目整的CAE集成环境。优化软件采用的是iSIGHT。标函数。MSC．PATRAN优化中默认采用的复合iSIGHT软件由Engineous公司开发，它将数字技材料失效准则是Tsai—Hill准则。术、推理技术和设计探索技术有效地融合，构成了Tsai—Hill准则是一种考虑了应力分量相互影一个完整的多学科设计优化平台。响的失效准则。它是蔡为仑(S．W．Tsai)1965年在2．1各项设计参数的设定及飞翼的复合材希尔(Hil1)的各向异性塑性理论的基础上提出的。料结构设计三维模型的建