基于HyperSizer的复合材料舱门结构渐进式优化设计
李宇峰;贺高
【摘 要】结构重量是飞机复合材料结构设计需要考虑的重要因素和约束条件.针对某大型复合材料舱门设计方案,建立有限元模型,使用Patran/Nastran进行初步分析,再应用HyperSizer开展渐进式优化设计,优选出符合设计要求的方案,并计算构型的截面参数、铺层角度和铺层顺序等设计参数,完成结构建模和渐进式优化分析过程.结果表明:使用HyperSize进行渐进式优化设计,降低了结构的重量,达到了预期目标.
【期刊名称】《航空工程进展》
【年(卷),期】2016(007)002
【总页数】5页(P230-234)
【关键词】复合材料;舱门;渐进式优化;HyperSizer
三朝回门【作 者】李宇峰;贺高
【作者单位】中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院,西安710089;中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院,西安710089
【正文语种】中 文
【中图分类】V214.8
复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度大、耐疲劳性、耐腐蚀、可设计性等诸多优点。使用复合材料设计，能够减轻结构重量，有效提高产品性能和竞争力。复合材料具有可设计性，可以根据结构构型和载荷条件，将复合材料按照设计需求进行铺设，达到使用最少的材料就能满足设计要求的目的，最有效地发挥材料的作用。
工程中广泛使用复合材料板壳结构，例如飞机机翼和尾翼上的翼面壁板、整流罩、舱门等。板壳结构不仅指板件、曲壳，还包括由板或壳组成的薄壁构件，以及由薄壁构件组成的结构等广义的板壳结构[1]。飞机舱门结构中最大的结构单元是蒙皮和桁条，二者也是受力最严重的构件，承受着弯曲、扭转、剪切等主要载荷的作用。采用复合材料进行优化设计，使结构形式的选择、参数的设置与各部件的载荷传递相协调，有利于传递载荷和减轻重量。
曾国藩经典语录复合材料加筋板结构优化设计问题的设计变量较多，包括连续变量和离散变量，且变量之间相互耦合，致使优化设计的难度较大，传统的数学规划法、准则法难以解决此类问题[2]。近年来，国内外对此开展了广泛研究。L.Berke等[3]利用人工神经网络来优化飞机翼面的结构布局。M.Blair等[4]将快速建模方法应用于翼面结构的布局优化设计。张铁亮等[5]采用试验设计建立代理模型的方法实现了加筋板的布局优化。R.Rikards等[6]将代理模型技术应用于加筋板结构的设计优化中。S.Nagendra等[7]应用改进的遗传算法对加筋板结构进行了优化设计。J.Fatemi等[8]、J.H.Kang等[9]也在加筋板结构设计优化中采用了遗传算法。L.Lanzi等[10]、李烁等[11]分别利用神经网络对复合材料帽型加筋板进行了优化。Liu Wenli等[12]提出了一种基于程序包VICONOPT的复合材料加筋板优化方法。赵群等[13]提出了一种基于压弯刚度的复合材料加筋板布局优化设计。吴莉莉等[14]提出了加筋板稳定性约束下的二级协同优化算法。卢秉贺等[15]应用Patran/Nastran和HyperSizer对复合材料后机身加筋结构形式进行选型分析。裘健全[16]提出了一种基于HyperSizer的复合材料结构渐进式设计方法，但未进行实例分析运算。
本文针对大型复合材料舱门结构，结合工程实例，采用Patran/Nastran与HyperSizer交互运算的方法，来实现对复合材料舱门的渐进式优化设计。
采用Patran/Nastran与HyperSizer交互设计，对舱门加筋壁板结构进行渐进式优化分析，该过程是一个由总体-局部-细节的过程。具体优化过程为：①运用Patran建立有限元模型，提交到Nastran计算，得到载荷的大小和分布，并输出单元内力；②将有限元模型和计算结果导入HyperSizer中，利用HyperSizer的构型模块建立多个构型及其相应的结构尺寸、复合材料铺层，形成构型的数据集合；③依次对每一个不同的构型进行刚度、强度和稳定性等失效模式的分析校核，全部结构区域需要进行所有载荷工况下的分析，统计其重量及失效模式的最小安全裕度值，筛选出安全裕度值为正的方案并按重量大小排序，重量最轻的方案即为最优的初步优化方案；④计算得到各优化区域的铺层百分比、铺层角度、铺层顺序、最小安全裕度、单位重量等参数，即当前载荷下最优的构型参数。在完成一轮优化后，由于有限元模型的单元属性已被修改，整体结构的刚度需重新分布、重新计算以获得新的单元力；⑤通过对壳元重新生成NASTRAN PSHELL和MAT2数据类型以及对梁元重新生成PBAR和MAT1数据类型，完成有限元模型的更新；⑥从FEA输出文件读取新的单元力，作为下一轮优化的依据；直到重量优化曲线收敛，安全裕度、刚度指标满足要求，即可认为优化结束。优化流程如图1所示。奸巧语
1.1 优化目标
最优构型即在相同的载荷作用下，满足刚度、强度、稳定性等约束准则，使结构的重量最轻。其通常模式表达为
式中：φi为第i个构型的结构重量；MS为安全裕度。
1.2 约束条件
(1) 霍夫曼(Hoffman)准则
汽车acc是什么意思式中：Xt为纵向拉伸强度；Xc为纵向压缩强度；Yt为横向拉伸强度；Yc为横向压缩强度；σ1、σ2为主方向应力； τ12为剪应力； S为剪切强度。
(2) 蔡-希尔(Tsai-Hill)准则
务工证明模板
对于拉、压强度不同的材料，则对于拉应力，采用拉伸强度(X)；对于压应力，采用压缩强度(Y)。
(3) 蔡-胡(Tsai-Wu)失效准则
其中，促进的意思
令
通常，。
舱门位于机身下部，不参与全机受力，且位于气密区外，无气密要求。舱门所受载荷主要为气动载荷，故其需要具有足够的刚度，以保证在开启及关闭时不发生严重的变形。
舱门长为7.2 m，宽为1.3 m，由复合材料加筋壁板和六个铝合金支臂构成。支臂一端与铰链连接，连接处铰支；另一端通过连杆机构与旋转作动器连接，旋转作动器固支。舱门有限元模型如图2所示，复合材料加筋壁板根据支臂位置划分为七块优化设计区域。
载荷工况分别选取舱门关闭、打开时的气动载荷，均匀加载于壁板上：当舱门关闭时，P=3 800 N/m2；当舱门打开时，P=5 300 N/m2。
在计算分析时，对复合材料加筋壁板模型进行如下假设：①复合材料是线弹性的，无初始损伤；②壁板为板单元，初始模型蒙皮无筋条，为厚板；③支臂上缘、下缘为杆单元, 腹板为板单元。
金属材料属性和复合材料单向板属性分别如表1～表2所示。
层压壁板常用的加筋切面形状主要有T型、J型、工字型以及帽型等。其中，帽型加筋由于切面尺寸较大且两边与蒙皮相连呈现出一个闭合切面(如图3所示)，使得在受压载荷条件下具有很高的承载能力。因此，本文选取帽型加筋作为层压结构优化设计截面，其几何参数S、ttf、tw、H、θ、Wt、Wb为优化设计变量，舱门在两种工况下的变形位移不超过5 mm为约束条件，使结构的整体质量最小作为最终的优化目标。
限于篇幅，优化结果仅以图2中的区域2为例进行说明。根据受载情况分析，区域2所需蒙皮铺层的最佳厚度为2.23 mm，筋条铺层的最佳厚度为1.67 mm。加筋高度H=70 mm，间距S=300 mm，缘条宽度Wb=70 mm、Wt=60 mm，角度θ=65°，如表3所示。蒙皮的0°、±45°、90°铺层最佳比例为30%、60%、10%，筋条的0°、±45°、90°铺层最佳比例为40%、40%、20%。
通过HyperSizer计算、分析、调整，并反复迭代优化后，设计区域2最终的铺层设计为：蒙皮的铺层为11层，具体为[45/-45/0/45/-45/_90_]s；加筋的铺层为9层，具体为[45/-45/0/90/_0_]s。区域2在优化迭代过程中的变化规律如图4图所。
按舱门刚度要求，最大变形不超过5 mm。在全部设计区域进行渐进式交互优化后，与单用
Patran/Nastran优化对比，如表4所示，可以看出渐进式交互优化后的结构重量略轻一些。
(1) 使用渐进式交互优化设计，在建立壁板的初始有限元模型时，无需对加强筋的形状和间距进行网格划分，可以快速地对粗糙有限元模型开展分析。
(2) 使用HyperSizer，其拓扑优化与尺寸优化是同时进行的，优化更加合理；如果单用Patran/Nastran进行优化，需要先进行一轮拓扑优化，确定壁板上加筋的位置、数目等，在此基础上再进行尺寸优化，以确定壁板、筋条的厚度等参数。
(3) 采用渐进式交互优化，与单用Patran/Nastran优化相比，可减重5%左右。
访谈记录模板李宇峰(1982-)，男，工程师。主要研究方向：飞机结构设计。
贺 高(1957-)，男，研究员。主要研究方向：翼面结构、复合材料结构设计。
【相关文献】
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