[发明专利]一种可用于直升机和固定翼飞行器的复合材料梁设计方法

摘要

本发明公开了一种可用于直升机和固定翼飞行器的复合材料梁设计方法，属于飞行器结构设计领域。本发明首先根据直升机或者固定翼飞行器的总体设计性能建立复合材料梁优化设计模型，设计变量为每一种材料在每一个单元处的体积分数；然后采用有限元软件建立复合材料梁剖面有限元模型；再次采用复合材料梁优化设计模型对复合材料剖面梁有限元模型进行优化设计，可以采用体积分数过滤方法或者敏度过滤方法，基于序列线性规划算法更新体积分数，得到梁剖面的材料分布规律；最后根据材料分布规律得到梁剖面的拓扑结构。本发明提出的复合材料梁剖面设计方法可以应用于各类型直升机旋翼和固定翼飞行器机翼的剖面设计。

主权项

1.一种可用于直升机和固定翼飞行器的复合材料梁设计方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，根据直升机或者固定翼飞行器总体性能要求确定复合材料梁的气动外形和梁剖面特性、指定候选的材料类型及其属性，将每一种材料在每一个单元的体积分数度均作为一个设计变量，以梁剖面特性和剪心位置作为设计目标函数，约束条件为质量、体积分数和刚度要求，建立复合材料梁优化模型如下：目标函数:f=Σq=16Σp=16ωpq(Kpq-Kpq0)2+ω0((xSC-xAC)2+(ySC-yAC)2)]]>约束条件:W≤W₀Σq=16Σp=16ωpq+ω0=1;]]>0≤ω_pq≤1,0≤ω₀≤1;   ∀1≤p≤6,1≤q≤6]]>ρ_min≤ρ_ij≤1,   ∀1≤i≤n,1≤j≤m]]>Σj=1mρij=1,]]>   ∀1≤i≤n;]]>K22L≤K22≤K22U,]]>   K33L≤K33≤K33U;]]>p=1,2,…,6;q=1,2,…,6;p≠q；W,W₀,n和m分别是设计过程中的复合材料梁质量、设计要求的复合材料梁质量、有限元单元数量和材料种类数量；第j种材料在第i个有限元单元的体积分数值为ρ_ij，所有有限元单元中每一种材料的体积分数ρ_ij的最小值均设置为ρ_min＝0.001；K₂₂，K₃₃为剖面扭转、弯曲刚度，而和则分别为扭转的下界和上界、弯曲刚度的下界和上界；K_pq和分别为刚度矩阵的耦合项及其上界，K_pq0为指定的刚度目标值；x_AC，y_AC，x_SC和y_SC分别为气动中心横坐标值和纵坐标值，剪心的横坐标值和纵坐标值；ω_Pq为刚度目标函数的权重系数，ω₀为剪心目标函数的权重系数，p=1,2,…,6;q=1,2,…,6;第二步，采用有限元软件建立梁剖面的有限元模型，导出网格、节点信息，每一个有限元单元处的所有材料的体积分数之和为1；第三步，采用复合材料梁优化模型对指定的梁剖面有限元模型进行优化设计，得到材料在梁剖面的分布规律；第四步，根据得到的材料在梁剖面的分布规律得到最终的复合材料梁的拓扑结构。