材料設(shè)計(jì)論文：工程材料構(gòu)造改善設(shè)計(jì)剖析范文

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作者：周宏霞劉斌單位：西北工業(yè)大學(xué)365研究所西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司飛機(jī)室

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)形式、材料以及初步估算的結(jié)構(gòu)尺寸，建立分析模型。依據(jù)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及載荷對(duì)稱性可得邊界：機(jī)翼與機(jī)身連接處的節(jié)點(diǎn)有節(jié)點(diǎn)位移δx=0、δy=0、δz=0。整個(gè)模型共500個(gè)節(jié)點(diǎn)，1643個(gè)單元，4套外載荷，10個(gè)氣動(dòng)分區(qū)，205個(gè)氣動(dòng)小塊。分析模型見(jiàn)圖2。

滿應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)

滿應(yīng)力設(shè)計(jì)是通過(guò)劃分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)和選擇關(guān)鍵元的方法實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)區(qū)中包括若干個(gè)有限元件，從諸元中選出有代表性的元件作為關(guān)鍵元，只對(duì)關(guān)鍵元進(jìn)行強(qiáng)度比再設(shè)計(jì)。計(jì)算時(shí)可將結(jié)構(gòu)分為設(shè)計(jì)區(qū)和非設(shè)計(jì)區(qū)。每個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)受一個(gè)變量控制，通過(guò)再設(shè)計(jì)得出各設(shè)計(jì)區(qū)中諸關(guān)鍵元新的尺寸A（k）ij后，再?gòu)闹羞x出最大的作為該區(qū)的統(tǒng)一變量D（k+1）ij（i∈某區(qū)，j∈該區(qū)的關(guān)鍵元），然后考慮最大、最小變量約束，再進(jìn)行下一輪迭代，這就是通常所說(shuō)的結(jié)構(gòu)元件尺寸（A）與設(shè)計(jì)變量（D）之間的耦合關(guān)系。對(duì)非設(shè)計(jì)區(qū)，將不指定關(guān)鍵元，在設(shè)計(jì)中該區(qū)元件尺寸不作改變。

滿應(yīng)力設(shè)計(jì)的初始設(shè)計(jì)值取工程估算法估算的初步值，設(shè)76個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)、646個(gè)關(guān)鍵元、164個(gè)設(shè)計(jì)變量。表1給出了滿應(yīng)力設(shè)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明，經(jīng)7次迭代收斂，結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯下降，結(jié)構(gòu)減質(zhì)量24.478kg（14.3%）。經(jīng)過(guò)滿應(yīng)力設(shè)計(jì)后，各設(shè)計(jì)區(qū)尺寸得到調(diào)整，主要體現(xiàn)在緣條面積下降（有的還退回最小限），蒙皮局部厚度增加，總體分布合理。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法優(yōu)化設(shè)計(jì)剪裁

在滿應(yīng)力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)規(guī)劃法進(jìn)行多約束優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取滿足各種設(shè)計(jì)要求的最終設(shè)計(jì)，具體來(lái)說(shuō)是將優(yōu)化設(shè)計(jì)歸結(jié)為求解下述數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題：尋找一組設(shè)計(jì)變量其中：（fX）為依賴于設(shè)計(jì)變量向量X的目標(biāo)函數(shù)；gj（X）為性狀約束函數(shù)；xLi和xUi分別為設(shè)計(jì)變量xi的下限與上限；m表示設(shè)計(jì)變量數(shù)；n表示約束數(shù)。進(jìn)行數(shù)學(xué)規(guī)劃法設(shè)計(jì)首先要確定約束限，需要把滿應(yīng)力設(shè)計(jì)結(jié)果值返回分析模型，根據(jù)再分析結(jié)果確定約束限。這里考慮把主翼盒設(shè)計(jì)成強(qiáng)緣條薄蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，初始141.23kg的結(jié)構(gòu)質(zhì)量也可以接受，因此將滿應(yīng)力設(shè)計(jì)結(jié)果值返回時(shí)，局部調(diào)整設(shè)計(jì)變量的下限，使緣條面積不再下降。結(jié)構(gòu)進(jìn)行再分析，計(jì)算結(jié)果為：U245653mm，f16.8Hz，η0.81，vF252.3m/s，W141.23kg。

從滿應(yīng)力設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求、強(qiáng)度要求、以及顫振包線，最終規(guī)定出數(shù)學(xué)規(guī)劃法設(shè)計(jì)的約束限為：1）位移約束1個(gè)，翼尖后緣點(diǎn)的Y向位移值U245≤628mm；2）振動(dòng)約束1個(gè)，f1≥6.9Hz；3）靜彈約束1個(gè)，內(nèi)、外副翼俯仰效率η≥0.815（Ma=0.8，13km）；4）顫振約束1個(gè)，vF≥300m/s（海平面）。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法設(shè)計(jì)設(shè)有50個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)、122個(gè)設(shè)計(jì)變量（設(shè)計(jì)區(qū)為主翼盒段的上下蒙皮、縱向梁緣條和梁腹板）。表2給出了在位移、振動(dòng)、顫振約束下的最小結(jié)構(gòu)質(zhì)量設(shè)計(jì)結(jié)果。可見(jiàn)，經(jīng)4次迭代后，全部滿足約束條件，結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)H增加10kg左右，而位移降低72.3mm，顫振速度提高了47.66m/s（占18.9％），充分表明優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)效率明顯提高。多約束優(yōu)化變量收斂后，從優(yōu)化尺寸分析看，內(nèi)外翼轉(zhuǎn)折部蒙皮的±45°和0°鋪層厚度都明顯增加，這種尺寸分布可以提高結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，對(duì)綜合滿足多種約束條件有利。為進(jìn)一步說(shuō)明±45°、0°和90°鋪層比例對(duì)結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率的影響，詳細(xì)分析了在相同鋪層厚度的情況下，機(jī)翼振動(dòng)、顫振特性隨蒙皮不同鋪層比變化情況，見(jiàn)表3。

表3中f1、f2、f3、vF分別對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的一彎、二彎、一扭頻率和顫振發(fā)散速度，可以看出，在相同鋪層厚度的情況下提高±45°鋪層比例，可有效提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)頻率，從而提高結(jié)構(gòu)的顫振速度。

結(jié)論

機(jī)翼初步設(shè)計(jì)階段，在確定的結(jié)構(gòu)形式、材料以及初步估算結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)剪裁，能快速實(shí)現(xiàn)滿足結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度約束條件的結(jié)構(gòu)件總體尺寸調(diào)整和保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小前提下滿足各種設(shè)計(jì)要求的最終設(shè)計(jì)尺寸確定，實(shí)現(xiàn)對(duì)大展弦比復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)、氣彈綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)載荷、結(jié)構(gòu)、靜強(qiáng)度、氣動(dòng)彈性與伺服氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)、分析、綜合與優(yōu)化的反復(fù)迭代、多輪逼近與逐步細(xì)化，最終形成了滿足設(shè)計(jì)要求的合理、可行的無(wú)人機(jī)大展弦比復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)方案。無(wú)人機(jī)制造完成后，經(jīng)飛行和試驗(yàn)驗(yàn)證，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)剪裁是快速有效的設(shè)計(jì)途徑，不僅縮短研制周期，而且提高了結(jié)構(gòu)效率。