[发明专利]一种面向柔性充气翼结构的气动剪裁优化设计方法

说明书

本发明公开的一种面向柔性充气翼结构的气动剪裁优化设计方法，属于飞行器领域。本发明实现方法为：针对柔性充气翼结构，在考虑充气内压和膜材厚度的前提下对气梁斜掠角度进行优化，以膜材许用应力为约束条件，选取气动学科升阻比最大和结构学科褶皱面积最小为优化目标，考虑柔性充气翼气动/结构多学科强耦合效应，从改变系统刚度分布的底层设计层面改善柔性充气翼结构的气弹特性。优化过程中采用自适应策略与代理模型，能够在降低运算成本的基础上驱动样本点集合集中在最优解附近，进一步提高代理模型在兴趣区域的计算精度，降低优化收敛难度。针对柔性充气翼结构气动剪裁优化，选取高精度全局优化算法，保证计算效率并避免陷入局部最优解。

技术领域

本发明涉及一种面向柔性充气翼结构的气动剪裁优化设计方法，属于飞行器领域。

背景技术

充气翼是一种由高强度复合柔性材料制成，内部充入高压气体以保压维形的多气腔充气结构，具有体积灵活可变，结构重量较轻，方便储存携带，易于随时展开，成本较为低廉等显著优势。随着作战需求精细化，飞行器用途多样化发展，充气翼技术将刚性机体与柔性机翼有机结合，刚柔耦合的特点引发了国内外学者的广泛关注，在轻小型无人机、炮射巡飞弹等飞行器上展现出了巨大的应用价值。

由于充气薄膜在气压作用下易产生大变形，现有充气翼设计通常采用多个内切圆方法逼近翼型，可分为多气梁式充气翼和多气管式充气翼。基于气泡原理所提出的内切圆逼近翼型的方法，使得充气翼表面形成多个凹凸不平的波纹，进而导致其升阻特性降低。同时柔性充气翼结构整体缺乏刚性连接，也使得其气动弹性问题较为突出。除传统刚性机翼常见的颤振、抖振、发散等失效形式外，褶皱-屈曲是一种与充气膜材和充气内压相关，计入薄膜褶皱的刚度退化现象，是柔性充气翼结构独特的气弹失效现象。

对于传统刚性机翼而言，可以通过改变复材铺层的厚度、次序、角度等变量，从而改变机翼结构刚度分布，驱使机翼在气动载荷下获得更为理想的系统响应，以此改善机翼的气弹特性。对于柔性充气翼而言，参考气动弹性剪裁思想，同样可以通过方向刚度设计，实现在载荷作用下产生最有利的变形。但为了避免影响充气翼易于折叠收纳、可以快速展开等优势特性，基于传统刚性机翼的复材铺层方法将难以适用。为改善包括褶皱-屈曲在内的气弹问题，对面向柔性充气翼结构的气动剪裁优化设计提出了需求。

发明内容

为了解决现有柔性充气翼结构存在的包括褶皱-屈曲在内的气弹失效问题，本发明的主要目的是提供一种面向柔性充气翼结构的气动剪裁优化设计方法，通过充分考虑气动剪裁思想的本质含义，针对柔性充气翼结构，在考虑充气内压和膜材厚度的前提下对气梁斜掠角度进行优化，以膜材许用应力为约束条件，选取气动学科升阻比最大和结构学科褶皱面积最小为优化目标，考虑柔性充气翼气动/结构多学科强耦合效应，从改变系统刚度分布的底层设计层面改善柔性充气翼结构的气弹特性，弥补现有技术对充气翼构型底层优化设计的不足。优化过程中采用自适应策略与代理模型，能够在降低运算成本的基础上驱动样本点集合集中在最优解附近，进一步提高代理模型在兴趣区域的计算精度，降低优化收敛难度。针对柔性充气翼结构气动剪裁优化，选取高精度全局优化算法，保证计算效率并避免陷入局部最优解。本发明有助于改善柔性充气翼结构的力学性能，解决柔性充气翼结构存在的包括褶皱-屈曲在内的气弹失效问题，且能够提高优化效率和精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种面向柔性充气翼结构的气动剪裁优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一、选取全局优化变量，确定设计空间；

选取气梁斜掠角、充气内压和膜材厚度为全局优化变量；所述膜材厚度包括蒙皮厚度、翼梢厚度和拉带厚度；并确定设计空间，即：

其中、、、、、分别为气梁斜掠角、充气内压和膜材厚度的上下边界，根据几何约束和物理含义确定；

步骤二、设计空间内采样；通过采样方法在设计空间内进行采样，获取用于训练构建代理模型的样本点输入；