一種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，在飛行器預(yù)變形艙門設(shè)計中充分考慮預(yù)變形曲線形狀和鋪層形式對門結(jié)構(gòu)的影響，將預(yù)變形設(shè)計引入到傳統(tǒng)的飛行器門結(jié)構(gòu)設(shè)計中，發(fā)揮門結(jié)構(gòu)預(yù)加載后預(yù)緊力的鎖緊作用，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時保證了可靠性與使用性，同時，采用復(fù)合材料設(shè)計思想，結(jié)合預(yù)變形設(shè)計與復(fù)合材料鋪層設(shè)計，利用全局優(yōu)化算法得到全局最優(yōu)的復(fù)合材料預(yù)變形門結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
【專利說明】
-種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法領(lǐng)域，特別設(shè)及一種飛行器預(yù)變形設(shè)備艙 口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與復(fù)合材料設(shè)計方法；
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空航天設(shè)計中，保證設(shè)計要求的前提下使結(jié)構(gòu)重量最輕一直是設(shè)計人員不懈 的追求。隨著復(fù)合材料的興起，越來越多的結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料取代W往傳統(tǒng)的金屬材料。與 傳統(tǒng)金屬材料的均質(zhì)性不同，復(fù)合材料的鋪層設(shè)計、各向異性等獨特的設(shè)計方法對設(shè)計人 員提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003] 飛行器設(shè)備艙口是航空結(jié)構(gòu)中典型的結(jié)構(gòu)之一，也是保證飛行器使用安全和機內(nèi) 工作人員安全的重要部件。在使用過程中，飛行器設(shè)備艙口主要受到內(nèi)外壓差及氣動載荷 的作用，需要具由足夠的強度、剛度與可靠性W保持結(jié)構(gòu)的使用性能與使用安全。如果設(shè)備 艙不能保證強度、剛度與可靠性，將對飛行器的氣動特性與氣密性造成嚴重影響，甚至直接 危及機內(nèi)人員安全。
[0004] 一方面，是航空航天領(lǐng)域迫切的減重需求不斷敦促飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計拋棄不必要的 重量，另一方面，是為避免復(fù)雜的鎖定機構(gòu)帶來的可靠性下降問題。故摸棄鎖機構(gòu)，采用預(yù) 變形口取代，艙口關(guān)閉后，預(yù)變形結(jié)構(gòu)受擠壓產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力能夠有效地減小艙口在受到外部 載荷與慣性載荷作用下的彈性變形，起到鎖緊艙口的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變 形艙口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，該方法在飛行器預(yù)變形艙口設(shè)計中充分考慮預(yù)變形曲線形狀和 鋪層形式對口結(jié)構(gòu)的影響，將預(yù)變形設(shè)計引入到傳統(tǒng)的飛行器口結(jié)構(gòu)設(shè)計中，發(fā)揮口結(jié)構(gòu) 預(yù)加載后預(yù)緊力的鎖緊作用，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時保證了可靠性與使用性，同時，采用復(fù) 合材料設(shè)計思想，結(jié)合預(yù)變形設(shè)計與復(fù)合材料鋪層設(shè)計，利用全局優(yōu)化算法得到全局最優(yōu) 的復(fù)合材料預(yù)變形口結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)解決方法:一種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包 括W下步驟：
[0007] (1) W 口結(jié)構(gòu)邊框頂點位置為定位點，在口的預(yù)變形一側(cè)設(shè)置特征點，用于擬合出 符合基本設(shè)計需求的擬合曲線，選取特征點坐標為優(yōu)化設(shè)計變量，記為X=(X1，X2,…，Xk); 由于工程需要，作為設(shè)計變量的特征點位置有相對應(yīng)的變化范圍，即XG [x^xU]，可W依據(jù) 經(jīng)驗或要求給出初始設(shè)計變量及各個設(shè)計變量的約束范圍；
[000引（2)基于上述特征點，帶入所設(shè)計擬合曲線的方程組中，解出若干曲線上點的坐 標，利用樣條曲線連接各定位點建立近似擬合曲線，與其他預(yù)變形口形狀的控制點一并構(gòu) 建起口結(jié)構(gòu)幾何模型，即讀入包含特征點坐標的輸入文件到軟件中并生成幾何模型的過 程，上述過程即為讀入過程；
[0009] (3)為將口結(jié)構(gòu)幾何模型進一步轉(zhuǎn)化為可用于計算的有限元模型，基于CAE工具軟 件平臺，對所述口結(jié)構(gòu)幾何模型進行材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、建立接觸、復(fù)合材料鋪層的有限 元建模過程，最終建立的艙口結(jié)構(gòu)模型包括殼單元構(gòu)成的口結(jié)構(gòu)、梁單元構(gòu)成的筋結(jié)構(gòu)W 及實體單元構(gòu)成的縱向止擋=部分，上述過程即為建模過程。將由特征點坐標到建立有限 元模型的過程進行參數(shù)化，參數(shù)化中所設(shè)及的參數(shù)包括特征點坐標與復(fù)合材料鋪層厚度；
[0010] (4)得到有限元模型后，分兩步進行仿真計算W模擬結(jié)構(gòu)實際使用中的變形，第一 步為預(yù)加載過程，模擬預(yù)變形口合上時產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的過程，第二步為實際工況加載過程，根 據(jù)讀入的載荷數(shù)據(jù)，模擬預(yù)變形口使用中受外載荷變形的過程，兩步計算后可得到結(jié)果數(shù) 據(jù)，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行下一步的后處理，上述過程即為計算過程；
[0011] (5)利用CAE工具軟件的后處理功能，提取上述加載計算的結(jié)果數(shù)據(jù)，對結(jié)果數(shù)據(jù) 進行處理，得到與設(shè)計要求直接相關(guān)的指標數(shù)據(jù)，W結(jié)果文件的形式輸出，上述過程即為輸 出過程；
[0012] (6)將整個讀入、建模、加載、計算、輸出過程編寫并整合為AP化自動處理命令流文 件，當各設(shè)計變量在給定約束范圍內(nèi)取值時，自動根據(jù)特征點位置和復(fù)合材料鋪層厚度生 成參數(shù)化的幾何模型與有限元模型，并根據(jù)讀入的載荷數(shù)據(jù)進行計算，輸出相應(yīng)的結(jié)果文 件，建立AP化自動處理命令流文件是使讀入、建模、加載、計算、輸出過程可W被CAO工具軟 件調(diào)用，實現(xiàn)自動運行與處理，為下一步進行優(yōu)化做準備；
[0013] (7)利用CAO工具軟件調(diào)用CAE工具軟件運行步驟(6)得到的AP化自動處理命令流 文件，并控制（2)中讀入的輸入文件、（5)輸出的結(jié)果文件的修改與讀入，實現(xiàn)集成優(yōu)化，建 立相應(yīng)的設(shè)計變量與約束變量，構(gòu)建CAO工具軟件中的優(yōu)化模型；
[0014] (8)在優(yōu)化模型中，W特征點坐標、復(fù)合材料鋪層厚度為優(yōu)化變量，W結(jié)構(gòu)的強度 即應(yīng)變、剛度即工作載荷下變形后最大間隙作為約束，W結(jié)構(gòu)重量最輕為優(yōu)化目標，利用全 局尋優(yōu)算法即化inter算法進行減重優(yōu)化，可W實現(xiàn)在保證結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計需要的前提下，對 自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙口結(jié)構(gòu)進行減重。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:本發(fā)明W復(fù)合材料預(yù)變形口結(jié)構(gòu)形狀和鋪層 厚度由優(yōu)化設(shè)計變量，W結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小為設(shè)計目標，W結(jié)構(gòu)強度、剛度為約束條件，在保證 結(jié)構(gòu)使用要求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化。本發(fā)明中的讀入、建模、計算、輸出過程 AP化命令流都是通過自編語句實現(xiàn)。相對于常規(guī)的飛行器艙口結(jié)構(gòu)，本方法所采用的預(yù)變 形口結(jié)構(gòu)既能減輕結(jié)構(gòu)重量、省去繁瑣而降低可靠性的鎖定機構(gòu)，還可W滿足飛行器結(jié)構(gòu) 實際的使用要求?？紤]到工程實際中針對不同精度、不同尺寸的口結(jié)構(gòu)對預(yù)變形的擬合精 度與擬合要求有所差異，本發(fā)明采用的建立預(yù)變形口方法可W使用任意高階的幕函數(shù)，從 而擬合任意精度與任意形狀的預(yù)變形曲線，拓展了本方法的適用范圍。在設(shè)計中，針對復(fù)合 材料運一新興材料進行設(shè)計，使得比起通常的航空侶合金結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所設(shè)及結(jié)構(gòu)具有更 大的輕量化優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明中復(fù)合材料預(yù)變形艙口結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型示意圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明中CAO工具軟件所建立優(yōu)化模型示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明實施例優(yōu)化過程中質(zhì)量下降過程示意圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明的方法實現(xiàn)流程圖。
【具體實施方式】
[0020] 如圖所示，本發(fā)明自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括W下步 驟：
[0021 ] (1) W 口結(jié)構(gòu)邊框頂點位置為定位點，在口的預(yù)變形一側(cè)設(shè)置特征點，用于擬合出 符合基本設(shè)計需求的擬合曲線。選取特征點坐標為優(yōu)化設(shè)計變量，記為X=(X1，X2,…，Xk)。 由于工程需要，一般作為設(shè)計變量的特征點位置有相對應(yīng)的變化范圍，將設(shè)計變量的變化 范圍作為約束，即XG [/，/]，通?？蒞依據(jù)經(jīng)驗或要求等條件給出初始設(shè)計變量及其約束 范圍。
[0022] (2)基于上述特征點，帶入所設(shè)計擬合曲線方程組中，解出若干曲線上點的坐標， WS次曲線為例，經(jīng)過定位點（0，0)與定位點（1120，0)，特征點（Xi，y 1)，帶入方程y = Cix+ C2X2+C3X3得到如下方程組：
[0023] (I)
[0024]
[0025] (2)
[0026] 解出；
[0027] 餅
[0028] 從而得到所設(shè)計擬合曲線的代數(shù)表達式，按一定間隔取其上若干點求出坐標作為 定位點，W樣條曲線依次連接各個定位點的方式建立近似擬合曲線，用預(yù)變形側(cè)的邊緣與 其他=個直線邊緣，得到口結(jié)構(gòu)幾何模型。
[0029] (3)基于上述口結(jié)構(gòu)幾何模型，在ANSYS軟件中繼續(xù)進行有限元模型建模，壁板的 材料選用各向異性的T700復(fù)合材料，加強筋的材料選用各向同性的7050侶合金。壁板采用 殼單元甜化L181，各加強筋采用梁單元肥AM188,梁單元在兩個方向上分別采用工字梁和口 字梁，縱向止擋采用實體單元S0LID185,進而建立有限元模型。
[0030] 在壁板上進行復(fù)合材料鋪層，鋪層采用（45°/-45° /0° /90°)S的對稱層合板鋪層， 厚度按總厚度均勻分配。對特征點坐標和復(fù)合材料鋪層厚度分別設(shè)置參數(shù)，建立參數(shù)化有 限元模型，最終建立的模型如圖1所示，包括復(fù)合材料壁板、=個縱向工字加強筋和五個橫 向工資加強筋。
[0031] (4)進行加載計算，共分為兩步。第一步利用縱向止擋將預(yù)變形口壓平，模擬預(yù)變 形口合上時產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的過程，第二步讀入氣動載荷，模擬預(yù)變形口實際使用中受到外載 荷變形的過程。
[0032] (5)使用CAE工軟件對計算結(jié)果進行后處理，利用ANSYS的AP化命令流，提取加載計 算過程的結(jié)果數(shù)據(jù)并進行處理，得到設(shè)計指定的約束參數(shù)與設(shè)計優(yōu)化的目標參數(shù)，即預(yù)變 形邊緣最大間隙、壁板上復(fù)合材料最大第一主應(yīng)變與最小第=主應(yīng)變W及預(yù)變形口結(jié)構(gòu)總 質(zhì)量，W結(jié)果文件的形式輸出；
[0033] (6)將上述的整個讀入、建模、加載、計算、輸出過程編寫并整合為AP化自動處理命 令流文件，通過讀入一組符合給定約束范圍的設(shè)計方案的設(shè)計參數(shù)，可W自動根據(jù)特征點 位置參數(shù)和復(fù)合材料鋪層厚度完成參數(shù)化有限元建模過程，并根據(jù)讀入的載荷文件進行兩 步計算，輸出相應(yīng)的結(jié)果文件；
[0034] (7)利用Isight軟件，調(diào)用ANSre程序運行上一步得到的AP化整合命令流文件，并 控制讀入文件、輸出文件的修改與讀入，實現(xiàn)Isight對整個建模計算輸出過程的集成，在 Isight中建立相應(yīng)的優(yōu)化變量、約束變量與目標函數(shù)，構(gòu)建優(yōu)化模型，優(yōu)化模型如圖所示， 圖中自上而下、自左而右依次為優(yōu)化控制算法(Optimizationl)、輸入文件的修改化dit_ Inputfi 1 e)、ANSYS讀入輸入文件并運行AP化整合命令流(Go ANSYS)、讀入輸出文件(ReacL Outputf i 1 e)的優(yōu)化流程。
[0035] (8)在優(yōu)化模型中，W特征點坐標參數(shù)、復(fù)合材料鋪層厚度參數(shù)為優(yōu)化變量，W結(jié) 果文件中的結(jié)構(gòu)強度(應(yīng)變）、剛度(工作載荷下口結(jié)構(gòu)變形后最大間隙）為約束條件，W預(yù) 變形口結(jié)構(gòu)重量最輕為優(yōu)化目標，采用IS i ght中的全局最優(yōu)算法(Po inter算法)進行自鎖 定預(yù)變形復(fù)合材料口結(jié)構(gòu)的減重優(yōu)化，可W實現(xiàn)在保證結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計需要的前提下，對自 鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙口結(jié)構(gòu)進行減重，優(yōu)化過程中質(zhì)量下降如圖所示，橫坐標為優(yōu)化 過程中迭代計算次數(shù)、縱坐標為每次迭代計算得到的質(zhì)量，可W看到隨著迭代次數(shù)增多、結(jié) 構(gòu)質(zhì)量不斷減輕直至收斂。
[0036] W上僅是本發(fā)明的具體步驟，對本發(fā)明的保護范圍不構(gòu)成任何限制；其可擴展應(yīng) 用于飛行器艙口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均 落在本發(fā)明權(quán)利保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下： (1) 以門結(jié)構(gòu)邊框頂點位置為定位點，在門的預(yù)變形一側(cè)設(shè)置特征點，用于擬合出符合 基本設(shè)計需求的擬合曲線，選取特征點坐標為優(yōu)化設(shè)計變量，記為X =( Xl，X2，…，Xk);根據(jù) 工程需要，作為設(shè)計變量的特征點位置有相對應(yīng)的變化范圍，即xe [/，/]，依據(jù)經(jīng)驗或要 求給出初始設(shè)計變量及各個設(shè)計變量的約束范圍； (2) 基于上述特征點，帶入所設(shè)計擬合曲線的方程組中，解出若干曲線上點的坐標，利 用樣條曲線連接各定位點建立近似擬合曲線，與其他預(yù)變形門形狀的控制點一并構(gòu)建門結(jié) 構(gòu)幾何模型，即讀入包含特征點坐標的輸入文件并生成幾何模型的過程，上述操作即為讀 入過程； (3) 為將門結(jié)構(gòu)幾何模型進一步轉(zhuǎn)化為可用于計算的有限元模型，基于CAE工具軟件平 臺，對所述門結(jié)構(gòu)幾何模型進行材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、建立接觸、復(fù)合材料鋪層的有限元建 模過程，最終建立的艙門結(jié)構(gòu)模型包括殼單元構(gòu)成的門結(jié)構(gòu)、梁單元構(gòu)成的筋結(jié)構(gòu)以及實 體單元構(gòu)成的縱向止擋三部分，上述操作即為建模過程;將由特征點坐標到建立有限元模 型的過程進行參數(shù)化，參數(shù)化中所涉及的參數(shù)包括特征點坐標與復(fù)合材料鋪層厚度； (4) 得到有限元模型后，分兩步進行仿真計算以模擬結(jié)構(gòu)實際使用中的變形，第一步為 預(yù)加載過程，模擬預(yù)變形門合上時產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的過程，第二步為實際工況加載過程，根據(jù)讀 入的載荷數(shù)據(jù)，模擬預(yù)變形門使用中受外載荷變形的過程，兩步計算后可得到加載計算的 結(jié)果數(shù)據(jù)，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行下一步的后處理，上述操作即為計算過程； (5) 利用CAE工具軟件的后處理功能，提取上述加載計算的結(jié)果數(shù)據(jù)，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行 處理，得到與設(shè)計要求直接相關(guān)的指標數(shù)據(jù)，以結(jié)果文件的形式輸出，上述操作即為輸出過 程； (6) 將整個讀入、建模、加載、計算、輸出過程編寫并整合為APDL自動處理命令流文件， 當各設(shè)計變量在給定約束范圍內(nèi)取值時，自動根據(jù)特征點位置和復(fù)合材料鋪層厚度生成參 數(shù)化的幾何模型與有限元模型，并根據(jù)讀入的載荷數(shù)據(jù)進行計算，輸出相應(yīng)的結(jié)果文件，建 立APDL自動處理命令流文件是使讀入、建模、加載、計算、輸出過程通過CAO工具軟件調(diào)用 CAE軟件實現(xiàn)自動運行與處理，為下一步進行優(yōu)化做準備； (7) 利用CAO工具軟件調(diào)用CAE工具軟件運行步驟(6)得到的APDL自動處理命令流文件， 并控制(2)中讀入的輸入文件、（5)輸出的結(jié)果文件的修改與讀入，實現(xiàn)集成優(yōu)化，建立相應(yīng) 的設(shè)計變量與約束變量，構(gòu)建CAO工具軟件中的優(yōu)化模型； (8) 在優(yōu)化模型中，以特征點坐標、復(fù)合材料鋪層厚度為優(yōu)化變量，以結(jié)構(gòu)的強度即應(yīng) 變、剛度即工作載荷下變形后最大間隙作為約束，以結(jié)構(gòu)重量最輕為優(yōu)化目標，利用全局尋 優(yōu)算法即Pointer算法進行減重優(yōu)化，實現(xiàn)在保證結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計需要的前提下，對自鎖定的 復(fù)合材料預(yù)變形艙門結(jié)構(gòu)進行減重。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特 征在于:所述步驟(2)中，使用冪函數(shù)作為擬合曲線，根據(jù)特征點的個數(shù)確定冪函數(shù)的階次， 將特征點坐標帶入冪函數(shù)方程中構(gòu)成方程組，反解出冪函數(shù)各階系數(shù)的唯一解，利用已解 出的冪函數(shù)上以一定間隔取點得到定位點，利用樣條曲線連接各定位點建立近似擬合曲 線，來近似替代擬合曲線建立模型。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特 征在于:所述步驟(3)中，將門所在面以殼單元劃分網(wǎng)格并設(shè)定復(fù)合材料鋪層以建立殼單元 構(gòu)成的門結(jié)構(gòu)，將面上的線以梁單元劃分網(wǎng)格并設(shè)置加強筋的幾何參數(shù)以建立梁單元構(gòu)成 的筋結(jié)構(gòu)，實體單元構(gòu)成的縱向止擋部分依據(jù)預(yù)變形門邊緣最高點位置與與門結(jié)構(gòu)自動保 持相對距離關(guān)系。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自鎖定的復(fù)合材料預(yù)變形艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特 征在于:所述步驟(4)中，利用縱向止擋壓平預(yù)變形門模擬預(yù)變形門合上時產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的力 學(xué)過程，其中門上遠離預(yù)變形一側(cè)邊緣模擬可轉(zhuǎn)動不可移動的軸位置，門上預(yù)報形一側(cè)邊 緣角點施加單向位移約束，與下壓的縱向止擋共同模擬門關(guān)閉時合上的相對變形情況。
【文檔編號】G06F17/50GK105956342SQ201610464009
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】王曉軍, 蔡逸如, 王磊, 耿新宇, 張澤晟, 樊維超, 劉鑫
【申請人】北京航空航天大學(xué)