[发明专利]基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法

说明书

本发明涉及飞机复合材料结构优化设计领域，具体涉及基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法，本发明方法在划分“应变邻域”之前利用最小二乘法对应变进行曲面拟合，用拟合后的应变值来作为划分邻域的依据，在结构优化之前，对结构蒙皮传力过程进行应变敏度分析，将应变相近的单元分成一个“应变邻域”，在结构优化时以“应变邻域”为对象进行优化，并在结构优化完成之后对优化后的蒙皮厚度进行二次曲面拟合；本发明解决了超大变量的飞机复合材料结构精细化设计中优化结果不满足传力连续性和不满足工艺制造要求的问题；本方法使优化后铺层结果体现力的传递连续性，解决了蒙皮铺层的厚度连续性和蒙皮表面光顺度问题，利于工艺制造。

技术领域

本发明属于飞机复合材料结构优化设计领域，具体涉及基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法。

背景技术

随着航空技术的发展，结构精细化设计成为结构减重的重要手段。结构优化使结构设计可以实现结构精细化设计，成熟可靠的优化技术与工具可以有效的提高结构利用效率，实现结构重量的大幅降低。随着先进复合材料在航空飞机结构中的使用比例越来越高，复合材料飞机结构的优化设计成为了人们研究的重点方向。当前世界大型民用飞机被美国波音公司和欧洲空中客车公司垄断，双方对飞机的结构设计与优化开发了自己的软件系统。设计变量数成为优化技术发展的重要指标，空客公司研发的LAGRANGE系统已经能够处理一万五千设计变量的多学科优化设计，成为该系统领先的标志。

中国航空研究院开发的SAMOS优化系统实现了十万以上设计变量的优化。超大设计变量具有独立性和离散性，使得目前超大设计变量的优化结果无法满足工艺制造的要求，也不能做到传力的连续性。然而现有的基于敏度分析的遗传算法SAMOS系统，在复合材料结构超大设计变量优化中，虽然能够在满足设计要求的前提下，有效地减轻结构的重量，但是优化后很难得到一个理想的铺层图，如图1所示。主要原因有如下三点：

1、由于超大设计变量(10万设计变量)的相互独立性，设计变量单元离散地分布在结构的各个部位，不同敏度的细小单元交叉相邻，因而，单元铺层的增加也会随之呈现出离散化；

2、遗传算法本身具有较大的随机性，随机投点造成每一步单元厚度变化不相同，形成了相邻单元高度突变，导致优化后的机翼结构厚度凹凸不平；

3、发动机等机翼上的集中载荷造成结构力的突变。

目前基于遗传算法的十万设计变量SAMOS系统结构优化后，出现复合材料蒙皮铺层不光顺的问题，给制造工艺带来极大的困难，增加生产成本，而且从传力角度来讲，结构有明显的厚度突变传力也不合理。工程上常利用数学方法如曲面拟合等进行光顺后处理遇到以下问题：

1、对于单极值的厚度变化可以得到较好的结果；

2、采用数学方法拟合得到的蒙皮厚度改变了最初的优化结果，此时的结构需要进一步进行优化。

发明内容

本发明的目的是：设计基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法，以解决在超大变量(10万以上变量)的飞机复合材料结构精细化设计中，由于变量的离散性和独立性而使优化结果不满足传力连续性和不满足工艺制造要求的技术问题。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：。

提供一种基于应变邻域的飞机复合材料结构优化方法，所述的飞机复合材料结构优化方法在结构优化之前，对结构蒙皮传力过程进行应变敏度分析，将应变相近且空间位置相邻的单元分成一个“应变邻域”，在结构优化时以“应变邻域”为对象进行优化；所述空间位置相邻的单元是指根据四联通原理有公共边的单元。

在划分“应变邻域”之前利用最小二乘法对计算应变值进行曲面拟合，用拟合后的计算应变值来作为划分邻域的依据，并在结构优化完成之后对优化后的蒙皮厚度进行二次曲面拟合。

所述的飞机复合材料结构优化方法包含以下步骤：