專利名稱：一種快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法，屬于飛機(jī)復(fù)合材料翼面氣動(dòng)彈性剪裁領(lǐng)域，用于飛機(jī)復(fù)合材料翼面設(shè)計(jì)中的跨音速顫振速度優(yōu)化。
背景技術(shù)：
翼面跨音速顫振是翼面設(shè)計(jì)的一種重要情況，在跨音速顫振分析過程中，求解得到跨音速顫振臨界速度是重要步驟。一般的跨音速顫振計(jì)算采用非定常氣動(dòng)力方法，需要很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，給翼面優(yōu)化帶來(lái)巨大的困難。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外飛行器復(fù)合材料翼面跨音速顫振優(yōu)化與分析尚未形成成熟的技術(shù)方案。過去大都采用實(shí)驗(yàn)和工程估算的方法得到翼面的跨音速顫振臨界速度；近年來(lái)，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)、計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)(CSD)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的提高，將CFD和CSD結(jié)合起來(lái)進(jìn)行復(fù)合材料翼面顫振的數(shù)值模擬有了相當(dāng)大的進(jìn)展，成為當(dāng)前氣動(dòng)彈性研究的重要方向之一。和以往的方法相比，采用CFD/CSD耦合進(jìn)行跨音速顫振求解的特點(diǎn)是精度較高，但其不足之處在于數(shù)值模擬過程的計(jì)算量很大， 耗時(shí)過長(zhǎng)。在縮短CFD/CSD耦合計(jì)算的時(shí)間方面，除了依賴計(jì)算機(jī)硬件性能的提高、利用大型機(jī)參與計(jì)算外，還采用了計(jì)算機(jī)集群并行計(jì)算的方法。為設(shè)計(jì)出滿足跨音速顫振要求的飛行器，需要對(duì)飛行器復(fù)合材料翼面結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨音速顫振優(yōu)化。優(yōu)化中若直接采用求解非定常氣動(dòng)力的方法計(jì)算跨音速顫振臨界速度，計(jì)算時(shí)間是極其驚人的。造成優(yōu)化迭代的單步時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，這在工程上無(wú)法接受。利用響應(yīng)面進(jìn)行翼面優(yōu)化，必須解決復(fù)合材料板參數(shù)和設(shè)計(jì)變量可行域描述。這樣可以找到響應(yīng)面的邊界，實(shí)現(xiàn)高精度插值擬合。而常規(guī)復(fù)合材料板的描述方法無(wú)法滿足上述要求。利用三向剛度方法描述板的力學(xué)特性，可以簡(jiǎn)化復(fù)合材料板的多種設(shè)計(jì)變量參數(shù)(包括各種角度和相應(yīng)的鋪層比例，鋪層厚度等)，便于進(jìn)行翼面優(yōu)化設(shè)計(jì)。三向剛度特性是復(fù)合材料板元件固有的力學(xué)特性，對(duì)于一塊給定厚度(層數(shù))的復(fù)合材料平板，0°、士45°、90°鋪層的比例直接影響到平板的軸向剛度特性EI1、EI2和剪切剛度特性GJ，如附圖1所示。鋪層角度、比例各異的復(fù)合材料板均可轉(zhuǎn)化為相同厚度的、僅有0°、士45°、90°鋪層的復(fù)合材料板，且保證板的三向剛度特性相同。由于復(fù)合材料板的三向剛度特性參數(shù)Ell、EI2、GJ之間存在約束關(guān)系，可用其中的兩個(gè)參數(shù)表示另外一個(gè)參數(shù)，由此得到復(fù)合材料板元件剛度可行域的數(shù)學(xué)表述。具體的公式推導(dǎo)如下
2C(1 4- Cl丨(y.- — U,) — Gfl2El1 二-[(IZ1 ▲ U;) ’ 8 - G/] - Γ/ Β , CI )
1 I^C LV 1 ，.2[(IZ1 ^ υΒ) ·δ - β、J其中C = ，δ為板厚，U1, U4、U5為與材料特性相關(guān)的不變數(shù)，U1, U4, U5的計(jì)算
Ds i 2
方法如下首先計(jì)算纖維主向剛度系數(shù)Qh = ..,Q22 = Sas，Qfifi = G19Q12= μ 12Q22 = u21Qn，|l2S = 5lgil
其中Εη、Ε22、μ12、μ 21、G12為與材料相關(guān)的工程彈性常數(shù)則U, = ^(SQii + 3Q,2 + 2Q + 4Q.,)Ui = ^(.Qii 十 Q25 十 6Q” - 4Q.S!3)Us = ^Qii 十 Qs-將C值帶入(I)，整理得到EIp EIjPGJ的約束關(guān)系，如(II)式所示。(EI1-EI2) 2GJ2+(C4-C6-C2) GJ+(C5+CrC3) = 0 (II)其中參數(shù)C1 C6的表達(dá)式如下，C1 = 2EI1EI2 (EI^EI2) (UfU5) δC2 = 2EI1EI2 (EI^EI2)C3 = 4EI1EI2 (UfU5)2 δ 2C4 = SEI1EI2(U^U5) δC5 = (EI^EI2)2 (U5-U4)2 δ 2C6 = 2 (EI^EI2)2 (U5-U4) δ復(fù)合材料平板三向剛度等效轉(zhuǎn)換與剛度特性參數(shù)間約束關(guān)系式的推導(dǎo)為本方法中建立剛度可行域提供了理論基礎(chǔ)，保證了剛度可行域的正確性與有效性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而設(shè)計(jì)提供了一種快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法，其目的是解決復(fù)合材料翼面跨音速顫振求解、分析與優(yōu)化中復(fù)合材料板參數(shù)與設(shè)計(jì)變量可行域的描述問題，以及計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)的問題。鑒于跨音速顫振優(yōu)化能力的限制，本方法在亞音速顫振優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選定有限個(gè)翼面敏感區(qū)稱為敏感元件，利用三向剛度來(lái)描述敏感元件的力學(xué)特性，進(jìn)而建立敏感元件的三向剛度可行域，在剛度可行域內(nèi)選擇特征點(diǎn)進(jìn)行非定常氣動(dòng)力顫振計(jì)算，利用計(jì)算結(jié)果分別建立每個(gè)敏感元件與整個(gè)復(fù)合材料翼面的跨音速顫振臨界速度響應(yīng)面。在其后跨音速顫振求解、分析與優(yōu)化的過程中，利用查詢響應(yīng)面的方式快速獲取翼面的跨音速顫振速度，從而代替了長(zhǎng)時(shí)間的非定常氣動(dòng)力計(jì)算，達(dá)到減少計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間的目的。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的該種快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法，其特征在于該方法的步驟是(1)對(duì)飛機(jī)翼面蒙皮進(jìn)行亞音速顫振優(yōu)化，優(yōu)化后上、下翼面蒙皮的有限元模型上，將鋪層厚度δ相差5層以內(nèi)的幾個(gè)相鄰設(shè)計(jì)單元組成一個(gè)敏感元件，單側(cè)上、下翼面蒙皮上共選取2 10個(gè)敏感元件，左、右翼面蒙皮上選取的敏感元件對(duì)稱，敏感元件包含的區(qū)域不重疊；(2)對(duì)于每個(gè)敏感元件，計(jì)算其所包含的所有設(shè)計(jì)單元的平均厚度，并將該敏感元件所包含的所有設(shè)計(jì)單元規(guī)整化。規(guī)整化的具體步驟為找出厚度與平均厚度最接近的設(shè)計(jì)單元，將同一敏感元件中其余設(shè)計(jì)單元的鋪層去除，替換為該設(shè)計(jì)單元的鋪層，并將該設(shè)計(jì)單元的厚度作為該敏感元件規(guī)整后的平均厚度d ；(3)對(duì)每一個(gè)敏感元件，建立剛度可行域并選取特征點(diǎn)
影響復(fù)合材料翼面跨音速顫振特性的變量是翼面蒙皮參數(shù)，通常包括鋪層厚度 (層數(shù))、鋪層角度和各種鋪層角之間的比例關(guān)系。在翼面跨音速顫振分析與優(yōu)化的過程中，各種鋪層之間比例的取值是不連續(xù)的，且鋪層厚度(層數(shù))、角度、比例的組合情況很多，參數(shù)變量的不同組合與跨音速顫振速度V。p之間很難找到特定的解析關(guān)系。鑒于上述原因，難以直接找到參數(shù)變量及變量組合的可行域，并建立參數(shù)變量與跨音速顫振速度V。p之間較為精確的響應(yīng)面(全部為內(nèi)插值的響應(yīng)面)。本方法采用三向剛度力學(xué)參數(shù)代替復(fù)雜的鋪層組合，建立敏感元件的三向剛度可行域，以可行域中的特征點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的顫振速度為基礎(chǔ)建立該敏感元件與翼面跨音速顫振速度之間的響應(yīng)面。根據(jù)各敏感元件自身特有的約束條件，建立不同的三向剛度可行域，進(jìn)一步建立對(duì)應(yīng)于每個(gè)敏感元件的跨音速顫振速度響應(yīng)面。對(duì)每一個(gè)敏感元件，建立剛度可行域并選取特征點(diǎn)的過程如下3. 1確定在建立剛度可行域時(shí)，每層鋪層可選用的鋪層角θ在優(yōu)化過程中，每層的鋪層角可在0° 180°范圍內(nèi)任意選取。由于其他所有的鋪層組合均可在厚度不變的情況下轉(zhuǎn)換為0°、士45°和90°的鋪層組合，且轉(zhuǎn)換前后的剛度特性不變。因此在建立剛度可行域時(shí)，每層鋪層可選用的鋪層角θ為0°、士45°和 90°之間的一種，以此三種鋪層角的組合代表該敏感元件所有可能的鋪層狀態(tài)，這同時(shí)也保證了工程上實(shí)施的可行性。3. 2確定每一個(gè)敏感元件的最小許用厚度dmin和最大許用厚度dmax本方法選用規(guī)整后的設(shè)計(jì)單元的平均厚度Cli為最小許用厚度dmin，根據(jù)敏感元件許用的結(jié)構(gòu)空間和許用的結(jié)構(gòu)應(yīng)變水平，確定該敏感元件的最大許用厚度dmax。在建立剛度可行域時(shí)，利用最小許用厚度dmin和最大許用厚度dmax，可以保證可行域是有邊界的，進(jìn)而保證建立的跨音速顫振速度響應(yīng)面是有邊界的。3. 3根據(jù)每層鋪層可選用的鋪層角θ、敏感元件的最大許用厚度dmax和最小許用厚度dmin，確定每個(gè)敏感元件所有可能的鋪層組合在實(shí)際應(yīng)用中，由于工程設(shè)計(jì)上的要求，鋪層板應(yīng)為復(fù)合材料對(duì)稱均衡板。即鋪層角θ為士45°時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋪層為4層的整數(shù)倍，鋪層角θ為0°或90°時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋪層為偶數(shù)層。在這種約束條件下，敏感元件的剛度可行域并非一個(gè)連續(xù)的曲面，而是由許多離散的點(diǎn)組成，且這些點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的三向剛度特性滿足(II)式的約束關(guān)系，即這些離散點(diǎn)都在 (II)式表示的隱式曲面上。3. 4分別計(jì)算每個(gè)敏感元件在每種鋪層角與鋪層厚度組合下的三向剛度特性值 EIi、EI2、GJ，計(jì)算步驟如下首先計(jì)算纖維主向剛度系數(shù)(^.，二 li = li Q66 = G12Q12 = μ 12Q22 = υ 21Q12，P2.- =其中En、E22, μ 12、μ 21、G12為與材料相關(guān)的工程彈性常數(shù)然后計(jì)算層合板拉伸剛度矩陣，All =SLi^ ( ) k (i=l，2,6;j=l，2，6)其中N為層合板的層數(shù)，tk為單層厚度
對(duì)于每一層復(fù)合材料鋪層，鋪層角為θ時(shí)的剛度系數(shù)^計(jì)算公式，Qis = ra4Q:il + ZmsE2CQi2 ^ 2Q ) + H4Q22Q12 = Ri2R2CQil, + Q22 -Q2, = B4Q:,,+二 + 2QSi5)十 m^Q.,Qis = Ki'iitQ-a — Qi2) + SinHqt2 - Q::) — 2mn(m2 - n:)Q貼Qsg = KIII3(Qii-Q12) + m n(Q12 - Q22) + 2mn(m2 - n2)Q66Q6f5 = Krn^Qil+ Q,, -2Q12 - 2Qes>+(m4 + n4)QM其中m = cos θ，n = sin θ，θ為當(dāng)前層的鋪層角EI”EI2、GJ計(jì)算式如下EI1 = A11-A12^A12A22 ；EI2 = A22-A12^A12A11 ；GJ = A66 ；3. 5繪制剛度點(diǎn)，分別創(chuàng)建每一個(gè)敏感元件的剛度可行域步驟3. 4中，每一組EIp EI2, GJ數(shù)據(jù)作為敏感元件的一個(gè)剛度點(diǎn)，將敏感元件的所有剛度點(diǎn)繪制到EIpEI2、GJ構(gòu)成的三維空間中，這些離散的剛度點(diǎn)即構(gòu)成該敏感元件的剛度可行域，每個(gè)敏感元件的可行域所包絡(luò)的空間均呈現(xiàn)類似三棱臺(tái)的形狀，在同一鋪層厚度下，各剛度點(diǎn)在一帆狀曲面上，從不同角度觀察此帆狀曲面如附圖2、附圖3、附圖4 ；不同厚度的鋪層對(duì)應(yīng)的帆狀曲面形狀相似，彼此為比例縮放關(guān)系，縮放比為厚度比的四次方， 如附圖5。3. 6對(duì)每一個(gè)敏感元件，分別在其剛度可行域內(nèi)選取特征點(diǎn)在類似三棱臺(tái)的剛度可行域的頂面、底面和內(nèi)部等分剖面上選取特征點(diǎn)，選取位置為上述每面的三個(gè)頂點(diǎn)和三條邊的中點(diǎn)，其中內(nèi)部等分剖面的數(shù)量根據(jù)剛度可行域的大小選取，一般選取1 4個(gè)，特征點(diǎn)數(shù)目介于18 36個(gè)之間。如計(jì)算量可以承受，應(yīng)考慮在上述各面上適量增選特征點(diǎn)，以提高跨音速顫振速度響應(yīng)面的插值擬合精度。(4)對(duì)每個(gè)敏感元件，分別建立該敏感元件的跨音速顫振速度響應(yīng)面一般情況下，翼面上會(huì)有多個(gè)敏感元件，對(duì)應(yīng)每個(gè)敏感元件，有不同的剛度可行域和相應(yīng)的特征點(diǎn)，因此需要分別針對(duì)每個(gè)敏感元件建立跨音速顫振速度響應(yīng)面，其建立過程分為如下步驟4. 1創(chuàng)建剛度特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的翼面有限元計(jì)算模型文件對(duì)于每個(gè)敏感元件，去除敏感元件上的原有鋪層，用敏感元件的每一個(gè)特征點(diǎn)所代表的鋪層鋪覆在敏感元件上，翼面其他部位的鋪層不變，由此建立敏感元件的每一個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的翼面有限元計(jì)算模型文件，每個(gè)敏感元件創(chuàng)建與特征點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的18 36個(gè)有限元計(jì)算模型文件。如增選特征點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)增加相應(yīng)的有限元計(jì)算模型文件；4. 2分別計(jì)算4. 1中每個(gè)翼面有限元計(jì)算模型的非定常氣動(dòng)力，得到相應(yīng)的跨音速顫振臨界速度V。p，如增選特征點(diǎn)，則v。p個(gè)數(shù)會(huì)對(duì)應(yīng)增加；4. 3對(duì)每個(gè)敏感元件，分別建立跨音速顫振速度響應(yīng)面將敏感元件的每個(gè)特征點(diǎn)的軸向剛度特性EI1、剪切剛度特性GJ和厚度δ作為自變量(18 36組或更多)，對(duì)應(yīng)的翼面跨音速顫振速度Vcp (18 36個(gè)或更多)作為目標(biāo)值，進(jìn)行高維曲面擬合與插值，得到敏感元件的跨音速顫振速度響應(yīng)面。由于另一方向的軸向剛度EI2與EI1和GJ存在(II)式所示的固定的約束關(guān)系，則EI2F需要作為自變量參與跨音速顫振速度響應(yīng)面的建立。在響應(yīng)面建立后，在敏感元件的剛度可行域內(nèi)的任意一點(diǎn)，通過查詢對(duì)應(yīng)的響應(yīng)面來(lái)代替復(fù)雜的非定常氣動(dòng)力計(jì)算，即可快速獲得該狀態(tài)下翼面的跨音速顫振速度V。p。本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1.利用三向剛度來(lái)描述敏感元件的鋪層和質(zhì)量特性，解決了如何建立覆蓋復(fù)合材料板各種鋪層角度與鋪層比例可行域的技術(shù)難點(diǎn)；2.通過采用有限個(gè)特征點(diǎn)建立響應(yīng)面的方法，保證了可行域里所有點(diǎn)進(jìn)行跨音速顫振速度插值時(shí)，都落在所建立的響應(yīng)面邊界內(nèi)，保證了較高的插值精度；3.利用查詢響應(yīng)面的方式代替復(fù)雜的非定常氣動(dòng)力計(jì)算用以獲取翼面的跨音速顫振速度，大幅提高了計(jì)算速度，縮短了計(jì)算時(shí)間，解決了復(fù)合材料翼面跨音速顫振優(yōu)化在工程上應(yīng)用的難點(diǎn)；4.經(jīng)過對(duì)某飛機(jī)復(fù)合材料翼面跨音速顫振優(yōu)化計(jì)算的驗(yàn)證，建立的基于三向剛度的跨音速顫振速度響應(yīng)面誤差范圍為士 lm/s，響應(yīng)面比較光滑，表明了其魯棒性好的特點(diǎn)， 在顫振分析與優(yōu)化、以及實(shí)際工程上均具實(shí)用性。


圖1為復(fù)合材料板三向剛度特性示意圖
圖2為某固定厚度下的剛度點(diǎn)構(gòu)成的帆狀曲面
圖3為圖2的另一視角
圖4為圖2的另一視角
圖5為不同厚度下的剛度點(diǎn)構(gòu)成的帆狀曲面組
圖6為某個(gè)敏感元件對(duì)應(yīng)的剛度可行域與其中的特征點(diǎn)
圖7為本發(fā)明實(shí)施例中上下翼面敏感元件的分布圖
圖8為最大許用厚度面上特征點(diǎn)的選取示意圖
圖9為響應(yīng)面的誤差分析曲線
圖10為某固定厚度下響應(yīng)面的剖面圖
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述以下將以某型飛機(jī)復(fù)合材料尾翼為例，介紹采用本發(fā)明所述快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法的實(shí)施過程，該過程的步驟是1.首先對(duì)飛機(jī)翼面蒙皮進(jìn)行亞音速顫振優(yōu)化，優(yōu)化方法和過程采用在先申請(qǐng)的國(guó)防專利技術(shù)方案，該專利申請(qǐng)的名稱是飛機(jī)翼面蒙皮亞音速顫振優(yōu)化方法，專利申請(qǐng)?zhí)柺?01110171379. 9，該技術(shù)方案的主要內(nèi)容是用翼面每塊蒙皮元素作為優(yōu)化對(duì)象，同時(shí)將蒙皮的鋪層角度，鋪層厚度增量、鋪層位置選作設(shè)計(jì)變量，保證遺傳算法的搜索是在包括了所有可能解的空間域內(nèi)進(jìn)行，采用雙循環(huán)優(yōu)化流程，解決了大設(shè)計(jì)變量(> 1000)的解耦問題，同時(shí)采用“小增量填谷法”有效的避免了算法的震蕩，確保算法的高重復(fù)性。
在經(jīng)過亞音速顫振優(yōu)化后的水平尾翼上、下翼面蒙皮的有限元模型上，將鋪層厚度δ相差5層以內(nèi)的幾個(gè)相鄰設(shè)計(jì)單元1組成一個(gè)敏感元件2，對(duì)于本例來(lái)說(shuō)，共選取8個(gè)敏感元件2，敏感元件2位于上下翼面前緣中央略偏翼尖處，以及后緣升降舵作動(dòng)器附近， 其分布如附圖7所示。平尾左、右翼面蒙皮上選取的敏感元件2對(duì)稱，敏感元件2之間的區(qū)
域不重疊。 方法中，需針對(duì)每一個(gè)敏感元件2分別建立跨音速顫振速度的響應(yīng)面。以下內(nèi)容以其中一塊敏感元件2為例，說(shuō)明建立剛度可行域，選取特征點(diǎn)以及建立相應(yīng)的跨音速顫振速度響應(yīng)面的過程。2.分別計(jì)算該敏感元件2所包含的所有設(shè)計(jì)單元1的平均厚度，找出厚度與平均厚度最接近的設(shè)計(jì)單元1，將其余設(shè)計(jì)單元1的鋪層去除并替換為該設(shè)計(jì)單元1的鋪層，同時(shí)將該設(shè)計(jì)單元1的厚度作為該敏感元件2規(guī)整后的平均厚度d ；3.建立該敏感元件2的剛度可行域并選取特征點(diǎn)，其過程如下3. 1按照工程常用的情況，確定在建立剛度可行域3時(shí)，敏感元件每層鋪層可選用的鋪層角θ為0°、士45°和90°之間的一種；3. 2確定該敏感元件的最小許用厚度dmin和最大許用厚度dmax3. 2. 1確定最小許用厚度dmin該敏感元件2的最小許用厚度dmin為8層(單層0. 12mm)；3. 2. 2確定最大許用厚度dmax該敏感元件2的最大許用厚度dmax為56層(單層0. 12mm)；3. 3根據(jù)鋪層角θ、敏感元件的最小許用厚度dmin和最大許用厚度dmax，確定所有可能的鋪層組合；3. 4分別計(jì)算敏感元件2在每種鋪層組合下的三向剛度EIp EI2, GJ，計(jì)算步驟如下首先計(jì)算纖維主向剛度系數(shù)(^.，Qii =,Qii = ’ Q66 = G12
Mil^i^"KDD丄二
__么，-·Ui2Q12= P12Q22= U21Qn^ii = ^T"其中En，E22, μ 12、μ 21、G12為與材料相關(guān)的工程彈性常數(shù)然后計(jì)算層合板拉伸剛度矩陣，Aii=E^tk ( ) (i=l,2’6;j=，2,6)
‘ 式其中N為層合板的層數(shù)，tk為單層厚度對(duì)于每一層復(fù)合材料鋪層，鋪層角為θ時(shí)的系數(shù)兔3的計(jì)算公式，Q1, = Jir4Q15 + ZmzJiHQ12 + 2Q } +Ii4Q22Qli = IB2 B1CQli +Q22 - 4Q:sa)+(mi + n4)Qi:Q,2 = Ji4Q11+ 2rasn2(Qls+ 2QS6)+ IB4Q12Qif3 =— Qi:)十Imnims-G2JquQ2s = !ImHQ1, - Qi2) + m3n(Q;i2- Q22) + 2mn(m2 -Qi5g = IB2IiHQiI + Q22 - 2Qi2 - 2q6S)+(m^ + n4)QM
其中m = cos θ，n = sine，θ為當(dāng)前層的鋪層角EI1, EI2、GJ計(jì)算式如下EI1 = A11-A12^A12A22 ；EI2 = A22-A12^A12A11 ；GJ = A66 ；對(duì)于本實(shí)例來(lái)說(shuō)，該尾翼選用的復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)為=E11 = 1. 29E+llPa, E22 = 9. 82E+9Pa，μ 12 = 0. 3056，G12 = 5. 29Ε+9Ι^，鋪層的單層厚度 tk = 0. 12mm，敏感元件 2的最小許用dmin厚度為8層，最大許用厚度dmax為56層。3. 5步驟3. 4中，每一組EIpEI2、GJ數(shù)據(jù)做為敏感元件2的一個(gè)剛度點(diǎn)，將敏感元件2的所有剛度點(diǎn)繪制到EIpEI2、GJ構(gòu)成的三維空間中，即構(gòu)成敏感元件2的剛度可行域 3，剛度可行域3所包絡(luò)的空間呈現(xiàn)類似三棱臺(tái)的形狀，參見附圖6。3. 6在剛度可行域3內(nèi)選取特征點(diǎn)在類似三棱臺(tái)的剛度可行域3的頂面4(最小許用厚度面)、底面5(最大許用厚度面)和內(nèi)部等分剖面6上選取特征點(diǎn)7，本實(shí)例中選擇兩個(gè)三等分剖面6，厚度分別為M層和40層，特征點(diǎn)7的選取位置為每個(gè)面的三個(gè)頂點(diǎn)和三條邊的中點(diǎn)，參見附圖6所示。在類似三棱臺(tái)的剛度可行域3的頂面4、底面5和內(nèi)部等分剖面6上，根據(jù)計(jì)算能力，可再增選特征點(diǎn)7。如本例中在底面5 (最大許用厚度面)的每條邊上分別增選兩個(gè)邊等分點(diǎn)71，在對(duì)稱軸線上增選三個(gè)軸等分點(diǎn)72，以及在內(nèi)部1/4高處，左右對(duì)稱增選兩個(gè)內(nèi)部點(diǎn)73，具體的增選情況參見附圖8所示。特征點(diǎn)7總計(jì)達(dá)到35個(gè)。4.建立跨音速顫振速度響應(yīng)面4. 1創(chuàng)建剛度特征點(diǎn)7對(duì)應(yīng)的翼面有限元計(jì)算模型文件去除敏感元件2上規(guī)整后的鋪層，用敏感元件2的每一個(gè)剛度特征點(diǎn)7所代表的鋪層逐一鋪覆在敏感元件2上，建立敏感元件2的每一個(gè)剛度特征點(diǎn)7對(duì)應(yīng)的翼面有限元計(jì)算模型文件；4. 2分別計(jì)算4. 1中每一個(gè)翼面有限元計(jì)算模型的非定常氣動(dòng)力，得到翼面跨音速顫振速度V。p，特征點(diǎn)的軸向剛度EI1、剪切GJ，厚度δ及相應(yīng)的翼面跨音速顫振速度V。p 如下表表1.特征點(diǎn)的剛度與跨音速顫振速度
權(quán)利要求
1. 一種快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法，其特征在于該方法的步驟是(1)對(duì)飛機(jī)翼面蒙皮進(jìn)行亞音速顫振優(yōu)化，在優(yōu)化后上、下翼面蒙皮的有限元模型上， 將鋪層厚度δ相差5層以內(nèi)的幾個(gè)相鄰設(shè)計(jì)單元(1)組成一個(gè)敏感元件O)，單側(cè)上、下翼面蒙皮上共選取2 10個(gè)敏感元件O)，左、右翼面蒙皮上選取的敏感元件( 對(duì)稱，敏感元件( 包含的區(qū)域不重疊；(2)對(duì)于每個(gè)敏感元件O)，首先計(jì)算其所包含的所有設(shè)計(jì)單元(1)的平均厚度，并將該敏感元件( 所包含的所有設(shè)計(jì)單元(1)規(guī)整化。規(guī)整化的具體步驟為找出厚度與平均厚度最接近的設(shè)計(jì)單元(1)，將同一敏感元件中其余設(shè)計(jì)單元(1)的鋪層去除，替換為該設(shè)計(jì)單元(1)的鋪層，并將該設(shè)計(jì)單元(1)的厚度作為該敏感元件( 規(guī)整后的平均厚度 d；(3)對(duì)每個(gè)敏感元件O)，分別建立各自的剛度可行域C3)并選取特征點(diǎn)，其過程如下·3. 1對(duì)每個(gè)敏感元件O)，按照工程常用的情況，確定在建立剛度可行域C3)時(shí)，每層鋪層可選用的鋪層角θ為0°、士45°和90°之間的一種；·3. 2確定每個(gè)敏感元件O)的最小許用厚度dmin和最大許用厚度dmax 3. 2. 1確定最小許用厚度dmin對(duì)每個(gè)敏感元件O)，選用該敏感元件( 規(guī)整后的平均厚度d為最小許用厚度dmin ； 3. 2. 2確定最大許用厚度dmax對(duì)每個(gè)敏感元件O)，根據(jù)該敏感元件(2)許用的結(jié)構(gòu)空間和許用的結(jié)構(gòu)應(yīng)變水平，確定該敏感元件O)的最大許用厚度dmax ；·3. 3根據(jù)每個(gè)敏感元件( 每層鋪層可選用的鋪層角θ、最大許用厚度(1_和最小許用厚度dmin，確定每個(gè)敏感元件( 各自的所有可能的鋪層組合；·3. 4分別計(jì)算每個(gè)敏感元件( 在每種鋪層角與鋪層厚度組合下的三向剛度特性值 EI1、EI2、GJ，計(jì)算步驟如下，首先計(jì)算纖維主向剛度系數(shù)Aj,
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法，其特征在于該鋪層板應(yīng)符合工程設(shè)計(jì)要求，為復(fù)合材料對(duì)稱均衡板。即鋪層角θ為士45°時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋪層為4層的整數(shù)倍，鋪層角θ為0°或90°時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋪層為偶數(shù)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法，其特征在于對(duì)于每個(gè)敏感元件O)，在三棱臺(tái)的剛度可行域C3)的頂面、底面( 和內(nèi)部等分剖面(6) 上，根據(jù)計(jì)算能力，可再增選特征點(diǎn)(7)。
全文摘要
本發(fā)明是一種快速獲取復(fù)材翼面跨音速顫振速度的方法，本方法在亞音速顫振優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選定有限個(gè)翼面敏感區(qū)稱為敏感元件，利用三向剛度來(lái)描述敏感元件的力學(xué)特性，進(jìn)而建立敏感元件的三向剛度可行域，在剛度可行域內(nèi)選擇特征點(diǎn)進(jìn)行非定常氣動(dòng)力顫振計(jì)算，利用計(jì)算結(jié)果分別建立每個(gè)敏感元件與整個(gè)復(fù)合材料翼面的跨音速顫振臨界速度響應(yīng)面。在其后跨音速顫振求解、分析與優(yōu)化的過程中，利用查詢響應(yīng)面的方式快速獲取翼面的跨音速顫振速度，從而代替了長(zhǎng)時(shí)間的非定常氣動(dòng)力計(jì)算，達(dá)到減少計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間的目的。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102385651SQ201110182009
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者崔德剛, 張睿, 杜海, 熊青岳, 錢衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)委員會(huì), 中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司