[发明专利]一种考虑气动弹性约束的复合材料机翼多目标优化设计方法

说明书

技术领域

本发明是一种复合材料机翼优化设计方法，更具体地说，是一种考虑结构、气动弹性约束的复合材料机翼多目标优化设计方法。

背景技术

飞机结构减重是飞行器设计的重要内容。复合材料是两种或多种不同性质的材料通过物理或者化学方法制成的新型材料。它具有比强度、比刚度高、热膨胀系数小、耐疲劳、抗腐蚀、制造周期短和维修方便等优点。在加工成型过程中可以通过合理铺层，提高飞机强度、刚度，从而减小飞机重量。在满足强度、刚度的同时，可以进行复合材料气动弹性剪裁，即通过调整复合材料的刚度方向及变形耦合来控制机翼结构的静和动的气动弹性变形，从而提高飞机性能。

颤振是结构弹性、惯性力与非定常气动力耦合引发的气动弹性不稳定。颤振会给飞机带来巨大的风险，在瞬间造成机翼破坏。在现代飞机设计中，颤振约束是机翼设计的重要设计约束之一。飞机的临界颤振速度与机翼的重量分布、刚度分配等相关，而复合材料的可设计性，使得通过调整复合材料铺层满足飞机颤振约束成为可能。

飞行器在空中飞行时不可避免地会受到大气扰动的影响。由离散阵风或连续阵风产生的附加气动力，引起飞行器的刚体运动和弹性振动。飞机在高速巡航、转弯飞行中常受到强烈阵风干扰，不仅使飞机产生不期望的附加过载，而且容易振动、颠簸，影响飞机的操纵性、稳定性，使乘坐品质下降。因此，在进行机翼优化设计时，将阵风响应作为目标函数具有重要意义。

以往的复合材料机翼优化设计通常仅以结构重量为目标函数，未同时考虑阵风响应，导致最小重量和最小阵风效应振幅两个目标相矛盾。因此为满足阵风响应设计要求，往往仍需采取增加结构重量手段减小阵风响应最大幅值，影响了飞机性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有设计方法未同时考虑最小重量和最小阵风响应两个目标函数的缺点，提供一种同时考虑重量和阵风响应的复合材料机翼多目标优化设计方法。通过采用有限元技术，实现定量分析，快速有效，便于技术人员掌握。

本发明提供的考虑考虑气动弹性约束的复合材料机翼多目标优化设计方法，包括以下步骤：

(1)建立有限元模型，计算初始应力、应变、颤振速度、颤振频率、阵风响应，并以此为比较标准；

(2)重量优化：将复合材料的铺层厚度和铺层方向作为设计变量，以满足结构的强度、刚度、颤振条件为约束条件，以结构重量为目标函数。通过优化计算，可得到一个基于上述约束条件的最小重量机翼；

(3)阵风响应优化：将复合材料的铺层方向作为设计变量，采用步骤（2）重量优化中设计的铺层厚度，以满足结构的强度、刚度、颤振条件为约束条件，将阵风响应设为目标函数。通过优化计算，可得到一个基于上述约束条件下的最小阵风响应机翼；如果该机翼满足阵风响应设计要求，则优化设计结束；否则转步骤（4）。

(4)第二次重量优化：将复合材料的铺层厚度设为设计变量，采用步骤（3）中设计的铺层方向，以满足结构的强度、刚度、颤振、阵风响应为约束条件，将结构重量设为目标函数。通过优化计算，可得到一个基于上述约束条件的最小重量机翼，优化设计结束；

本发明提供的方法与已有复合材料机翼优化设计方法相比，优点在于：

(1)同时考虑了机翼重量和阵风响应两个目标函数，而传统优化设计方法仅考虑了重量或阵风响应单一目标函数。

(2)在阵风响应优化阶段，仅以复合材料的铺层方向作为设计变量。这种分步优化方法使得在不改变机翼重量的情况下，最大限度地发挥复合材料铺层优势，仅通过优化铺层方向便可满足阵风响应设计要求。

(3)如果仅通过更改铺层方向无法实现阵风响应优化设计目标，可选择考虑阵风响应要求的进一步重量优化。

附图说明

图1是本发明优化设计方法的流程图；

图2是本发明优化设计实例中重量优化的收敛过程图；

图3为本发明优化设计实例中阵风响应优化的收敛过程图；

图4为本发明优化设计实例中第二次重量优化的收敛过程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的基于气动弹性约束的复合材料机翼多目标优化设计方法，具体实施方式包括三个优化设计阶段（重量优化、阵风响应优化和第二次重量优化），4个小步骤，结合图1，具体实现步骤如下：

第一步，建立有限元模型与初始模型分析：