本發(fā)明屬于飛機結構強度設計領域，尤其涉及一種復合材料艙門優(yōu)化方法。
背景技術：
：隨著航空器的不斷的發(fā)展，對輕量化要求也日益嚴格，而復合材料以其優(yōu)異的減重特點備受關注，近年來復合材料在國內軍民用飛機中的應用比例大幅度提升，幾乎所有在研飛機都將復合材料應用比例作為一項重要的設計指標。目前，國外已有關于復合材料氣密艙門的工程應用，資料顯示復合材料艙門比金屬艙門減重約30％，如a350xwb登機門。國內復合材料主要用于起落架艙門等非氣密艙門，近年來也陸續(xù)開展了復合材料氣密艙門的研究工作。民用飛機在飛行過程中，為了保證飛機座艙內的舒適環(huán)境，必須對飛機進行氣密增壓，氣密貨艙門，和其它氣密艙門一樣要承受很大的壓差載荷。因此在艙門結構設計中，除滿足強度要求外還必須滿足剛度要求。以往的艙門分析大都是基于強度約束條件和鋪層約束條件，對剛度約束條件定義比較籠統(tǒng)，通常只有最大變形量這一個指標。因此在復合材料艙門設計中，完善多種剛度約束條件，并研究其在艙門優(yōu)化中的實施方法具有實際工程應用價值與需求。技術實現要素：本發(fā)明完善了艙門剛度約束條件，在此基礎上按照強度及鋪層比例等要求，提供了一種考慮最大變形量、波紋度、階差、間隙等多種剛度約束的復合材料艙門優(yōu)化方法，得到了適應工程需要的復合材料艙門鋪層形式。本發(fā)明復合材料艙門優(yōu)化方法，主要包括以下步驟:s1、建立所述復合材料艙門的有限元模型，所述有限元模型包括的復合材料初始鋪層屬性為，根據金屬艙門的等剛度原則設計復合材料艙門初始鋪層厚度，且基礎鋪層格式為[45n1/0n2/-45n3/90n4]s，其中，n1、n2、n3及n4為對應角度鋪層數量；s2、以n1、n2、n3及n4為優(yōu)化變量，以艙門結構重量最輕為目標函數建立第一次優(yōu)化模型；s3、進行第一次優(yōu)化，并對優(yōu)化結果進行約束條件的符合性檢查，若不滿足約束條件，則返回步驟s2修改優(yōu)化變量，或者修改約束條件，直至獲得基礎鋪層格式下滿足約束條件的最優(yōu)鋪層數量及鋪層比例；s4、根據步驟s3的鋪層優(yōu)化結果更改鋪層方式，修改后的鋪層方式包括對稱鋪層、連續(xù)相同角度鋪層不超過三層以及相鄰鋪層角度不超過60°；s5、根據步驟s4的鋪層方式，以是否具有某一層鋪層為優(yōu)化變量，以所述艙門結構重量最輕為目標函數建立第二次優(yōu)化模型；s6、進行第二次優(yōu)化，獲得滿足所述約束條件的最小重量艙門的復合材料鋪層方式。優(yōu)選的是，所述步驟s2中艙門結構重量為其中，ρi為構件i所用材料的密度，li為構件i的板件面積，ai為構件i的板件厚度，n為構件數量。上述方案中優(yōu)選的是，所述步驟s3中的約束條件包括剛度約束條件、強度約束條件及鋪層比例約束條件。上述方案中優(yōu)選的是，所述剛度約束包括對艙門的波紋度、階差、間隙以及止動接觸點進行約束。上述方案中優(yōu)選的是，所述強度約束包括對艙門的許用應變、復合應變以及單層失效進行約束。上述方案中優(yōu)選的是，所述鋪層比例約束為0°鋪層占比35％～55％，±45°鋪層占比35％～60％，其余為90°鋪層。本發(fā)明的優(yōu)點和效果包括：1)通過優(yōu)化設計復合材料艙門結構在滿足剛度、強度等性能指標的前提下，相對于金屬艙門方案，大幅度降低了艙門重量，滿足了艙門輕量化設計要求。2)對復合材料艙門進行了兩次優(yōu)化分析，在滿足結構重量最輕的情況下，最大限度地發(fā)揮了復合材料的鋪層優(yōu)勢；3)利用本發(fā)明的優(yōu)化方法，考慮了多個剛度約束條件，包括最大變形量、波紋度、階差、間隙等剛度要求，改變了傳統(tǒng)的艙門分析僅考慮了最大變形量單一的約束條件，優(yōu)化得到的鋪層方式為實際工程應用提供參考。附圖說明圖1為本發(fā)明復合材料艙門優(yōu)化方法的一優(yōu)選實施例的流程圖。圖2為本發(fā)明圖1所示實施例的艙門波紋度示意圖。圖3為本發(fā)明圖1所示實施例的艙門階差示意圖。圖4為本發(fā)明圖1所示實施例的止動接觸點最大變形示意圖。圖5為本發(fā)明圖1所示實施例的兩次優(yōu)化重量迭代過程圖。具體實施方式為使本發(fā)明實施的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。下面通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明提供了一種復合材料艙門優(yōu)化方法，完善了艙門剛度約束條件，在此基礎上按照強度及鋪層比例等要求，提供了一種考慮最大變形量、波紋度、階差、間隙等多種剛度約束的復合材料艙門優(yōu)化方法，得到了適應工程需要的復合材料艙門鋪層形式，最終獲得了滿足強度、剛度等約束條件下的最小重量艙門及該艙門的復合材料鋪層方式。本發(fā)明復合材料艙門優(yōu)化方法，如圖1所示，主要包括以下步驟：s1、建立所述復合材料艙門的有限元模型，所述有限元模型包括的復合材料初始鋪層屬性為，根據金屬艙門的等剛度原則設計復合材料艙門初始鋪層厚度，且基礎鋪層格式為[45n1/0n2/-45n3/90n4]s，其中，n1、n2、n3及n4為對應角度鋪層數量；s2、以n1、n2、n3及n4為優(yōu)化變量，以艙門結構重量最輕為目標函數建立第一次優(yōu)化模型；s3、進行第一次優(yōu)化，并對優(yōu)化結果進行約束條件的符合性檢查，若不滿足約束條件，則返回步驟s2修改優(yōu)化變量，或者修改約束條件，直至獲得基礎鋪層格式下滿足約束條件的最優(yōu)鋪層數量及鋪層比例；s4、根據步驟s3的鋪層優(yōu)化結果更改鋪層方式，修改后的鋪層方式包括對稱鋪層、連續(xù)相同角度鋪層不超過三層以及相鄰鋪層角度不超過60°；s5、根據步驟s4的鋪層方式，以是否具有某一層鋪層為優(yōu)化變量，以所述艙門結構重量最輕為目標函數建立第二次優(yōu)化模型；s6、進行第二次優(yōu)化，獲得滿足所述約束條件的最小重量艙門的復合材料鋪層方式。步驟s1為建立所述復合材料艙門的有限元模型，單元簡化和節(jié)點網格劃分應能真實模擬艙門結構剛度，并且至少在蒙皮區(qū)域(相鄰的縱梁、橫梁之間的蒙皮)的中點、梁平面與密封線的交點布置模型節(jié)點，具體包括以下幾個方面：單元簡化：蒙皮簡化為板殼單元，密封帶擋條簡化為板殼單元，外緣條簡化為桿單元，內緣條簡化為梁單元，腹板簡化為板殼單元，止動接頭簡化為剛體單元，與機身連接采用彈簧單元。節(jié)點網格：以縱梁平面、橫梁平面與艙門理論外形交點為基本節(jié)點。每個蒙皮區(qū)域內網格尺寸約為30mm×30mm，艙門周邊及拐角處蒙皮網格根據內部蒙皮網格數量協調劃分，內緣條與外緣條之間的梁腹板網格尺寸約為30mm×24mm。復合材料艙門有限元模型初始鋪層屬性：根據金屬艙門按等剛度原則設計復合材料艙門初始鋪層厚度，基礎鋪層格式為[45n1/0n2/-45n3/90n4]s，其中，n1、n2、n3及n4為對應角度鋪層數量，s為一次循環(huán)。本實施例下表1給出了某次具體復合材料艙門初始鋪層參數。表1、復合材料艙門初始鋪層順序結構部位鋪層蒙皮[452/02/-452/902]s加強蒙皮[452/04/-452/902]s橫梁[452/02/-452/902]s普通縱梁[45/03/-45/90]s加強縱梁[452/02/-452/902]s步驟s2為建立優(yōu)化模型，在該步驟之前，進一步包括輸出模型數據。例如，在完成鋪層賦值后提交nastran輸出有限元模型數據文件，數據文件中應包含節(jié)點、單元、材料屬性、單元屬性、載荷和模型邊界約束。打開復合材料艙門有限元模型數據文件(bdf)，求解序列更改為sol200，按順序完成優(yōu)化模型文件的編輯：定義優(yōu)化變量→定義目標函數→定義約束條件，具體如下：設置優(yōu)化變量：根據基礎鋪層格式[45n1/0n2/-45n3/90n4]s，以各角度鋪層數量n1、n2、n3及n4為優(yōu)化變量，可以理解的是，n1、n2、n3及n4為對應角度鋪層數量，因此這些變量定義為離散變量，即均為大于等于1的正整數(n1/n2/n3/n4＝1，2，3，……)，優(yōu)化變量由desvar卡定義，變量離散值由ddval卡控制。通過dvprel2卡定義，將優(yōu)化指標變量與鋪層厚度聯系起來，即tj＝njt0，其中tj為第j層鋪層厚度，t0為單層厚度，nj為第j鋪層指標變量。定義目標函數：艙門結構重量最輕為目標函數，其重量可表示為其中，ρi為構件i所用材料的密度，li為構件i的板件面積，ai為構件i的板件厚度，n為構件數量。約束條件：包括剛度約束條件、強度約束條件及鋪層比例約束，通過dconstr卡定義上述約束響應，具體如下。1)艙門的剛度約束條件具體包括最大變形量、波紋度、階差、間隙等多種剛度要求，表2給出了艙門的多種剛度約束條件。表2、艙門多種剛度約束條件最大變形量表示為艙門結構任意部位最大變形量，其響應由nastran軟件中的dresp2卡定義。波紋度用來表示平坦或連續(xù)彎曲外形表面的均勻變化的不平度，由最大振幅b與波長l之比值確定，如圖2所示，給出了艙門與機身位置關系以及波紋形艙門結構示意，本實施例中波紋度響應由nastran軟件中的dresp2卡定義。階差為艙門與機身蒙皮之間的高度差，艙門相對機身向內變形為負階差，反之為正階差，圖3給出了形成負階差時的示意圖，本實施例中，其響應由dresp1卡定義。間隙為艙門與機身蒙皮之間的距離，其響應由dresp1卡定義。止動接觸點變形，定義為在增壓極限載荷作用下止動接觸點處的彈性變形，如圖4所示，止動接觸點由圖4中左圖的變化前狀態(tài)經極限載荷后變形，變形后示意圖為圖4右圖，其中，最外圈為機身承力擋塊，其半徑為rp，內圈為艙門止動銷，其半徑為rs，變形前，機身承力擋塊與艙門止動銷同軸，圓心為止動銷初始接觸點，變形后，該接觸點發(fā)生變化，如圖4右側的止動銷變形接觸點，兩個接觸點距離即為最大變形半徑rm，由上表2給出的優(yōu)化邊界條件可知，該最大變形半徑rm應小于或等于機身承力擋塊半徑rp的75％。本實施例中，其響應由dresp2定義。含最大安裝誤差的止動接觸點變形，定義為存在最大安裝誤差時，在增壓限制載荷作用下止動接觸點處的彈性變形，其響應由dresp2卡定義。2)艙門的強度約束主要考慮復合材料的失效準則和許用應變限制，表3給出了前貨艙門的強度約束條件。表3、前貨艙門的強度約束條件復合材料許用應變限制由dresp1卡定義，表達式為：εt≤[εt]，εc≤[εc]，γ≤[γ]；復合應變因子按下式計算：其中，當εa>0時，εa＝εt；當εa<0時，εa＝εc。本實施例中，由dresp2卡定義響應，計算公式通過deqatn卡來實現。tsai-wu失效準則，tsai-wu失效因子按以下公式計算：其中，f11＝1/(xtxc)，f1＝1/xt-1/xc，f22＝1/(ytyc)，f2＝1/yt-1/ycf66＝1/s2，σ6＝τ12，本實施例中，通過dresp1卡定義失效響應，將失效指標小于1.0作為約束條件。3)鋪層比例約束，0°鋪層35％～55％，±45°鋪層35％～60％，其余為90°鋪層，由dresp2設置鋪層比例響應，其比例關系通過方程卡deqatn定義：％±45°＝(n1+n3)/(n1+n2+n3+n4)；％0°＝n2/(n1+n2+n3+n4)；％90°＝n4/(n1+n2+n3+n4)。按上述優(yōu)化變量、目標函數以進行第一次優(yōu)化后，編輯完成優(yōu)化模型文件后，提交nastran計算。步驟s3為優(yōu)化結果符合性檢查，對照約束條件對優(yōu)化計算結果進行符合性檢查，如果計算結果不滿足約束條件，應對設計變量定義進行修改，重新返回第二步進行計算；如果滿足約束條件，則進行下一個步驟。通過第一次優(yōu)化分析，得到了基礎鋪層格式下滿足約束條件的最優(yōu)鋪層數量及鋪層比例。第一次優(yōu)化分析的前6步迭代如圖5所示(較短的線)，經過6步迭代計算后開始收斂，隨著迭代次數的增加，艙門的質量不斷增加，且增加的幅度越來越小，這是因為復合材料初始鋪層不滿足約束條件，所以結構質量先有所增加；在滿足所有約束條件后，再呈逐步減小的趨勢，這是對設計變量進行改進的結果。迭代最后一步艙門質量有一個突變，這是因為優(yōu)化變量定義為離散變量，在完成優(yōu)化設計時，優(yōu)化變量要進行圓整。優(yōu)化結束后艙門質量比初始鋪層模型增加了17.33％。據上一步鋪層優(yōu)化結果，按下述鋪層準則進行鋪層：復合材料構件盡量為對稱鋪層，表面層為±45°，連續(xù)相同角度鋪層不超過三層，相鄰鋪層角度差不超過60°。在第一次優(yōu)化模型的基礎上構建第二次優(yōu)化模型，更改了復合材料的鋪層方式，表4列出了經過第一次優(yōu)化后，按鋪層準則給出的復合材料艙門鋪層順序。表4、按鋪層準則給出的復合材料艙門鋪層順序之后，建立第二次優(yōu)化模型文件，其優(yōu)化變量及目標函數如下：設置優(yōu)化變量：對每一層鋪層定義一個離散優(yōu)化變量lj(j＝1，2)，當j＝1表示該層刪除，j＝2表示該層保留；優(yōu)化變量由desvar卡定義，變量離散值由ddval卡控制。通過dvprel2卡定義，將優(yōu)化變量與鋪層厚度聯系起來，即tj＝(lj-1)t0，其中tj為第j層鋪層厚度，t0為單層厚度，nj為第j鋪層指標變量。定義目標函數：艙門結構重量最輕為目標函數，與第一次優(yōu)化的目標函數一致，不再贅述。約束條件：與第一次優(yōu)化模型相比，復合材料艙門的剛度、強度及鋪層比例約束條件保持不變。編輯完成優(yōu)化模型文件后，提交nastran計算。進行第二次優(yōu)化分析，得到了對滿足鋪層準則要求的鋪層方式的“丟層”設計，可得到一個滿足上述約束條件的最小重量艙門，優(yōu)化設計結束。由圖5，第二次優(yōu)化分析經過13步迭代計算后收斂，隨著迭代次數的增加，艙門的質量逐步減小，各設計變量也趨于穩(wěn)定，迭代最后一步質量有一個突變，這是因為優(yōu)化變量定義為離散變量，在完成優(yōu)化設計時，優(yōu)化變量要進行圓整。第二優(yōu)化結束后艙門質量比第一優(yōu)化結果降低了6.75％，說明進行第二次優(yōu)化是非常有意義的。表5列出了經過第二次優(yōu)化后得到的復合材料艙門鋪層順序。表5、第二次優(yōu)化后復合材料艙門鋪層順序為體現本發(fā)明效果，在優(yōu)化完結束后，如圖1所示，還包括以下兩個步驟：對優(yōu)化結束后的復合材料艙門進行靜力分析，得到了優(yōu)化設計完成后的應力、應變及變形的計算結果。輸出靜力計算結果，表6列出了本發(fā)明實例金屬艙門與復合材料艙門的重量對比分析結果，其中變化率表示為復合材料艙門最終模型與金屬艙門模型的計算結果對比。表6、金屬艙門與復合材料艙門的重量比對分析結果通過表6可以看出，本發(fā)明的優(yōu)點和效果包括：1)通過優(yōu)化設計復合材料艙門結構在滿足剛度、強度等性能指標的前提下，相對于金屬艙門方案，大幅度降低了艙門重量，滿足了艙門輕量化設計要求。2)對復合材料艙門進行了兩次優(yōu)化分析，在滿足結構重量最輕的情況下，最大限度地發(fā)揮了復合材料的鋪層優(yōu)勢；3)利用本發(fā)明的優(yōu)化方法，考慮了多個剛度約束條件，包括最大變形量、波紋度、階差、間隙等剛度要求，改變了傳統(tǒng)的艙門分析僅考慮了最大變形量單一的約束條件，優(yōu)化得到的鋪層方式為實際工程應用提供參考。最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。當前第1頁12