复合材料优化技术在无人机结构设计中的应用

1、复合材料优化技术在无人机结复合材料优化技术在无人机结构设计中的应用构设计中的应用常常 亮亮中国飞机强度研究所中国飞机强度研究所2015-05-292015-05-29目 次耀州耀州苏家店苏家店上海上海浦东新区浦东新区中国飞机强度研究所（623所）是我国唯一的飞机强度研究中心和地面强度鉴定与验证试验研究机构，具有代表国家对新研与改型飞机给出首飞前强度结论的职能。 强度所目前形成阎良、耀州、长安为试验基地的“四地五点”运转格局。 飞行器强度问题的解决者； 飞行器强度新技术的创造者； 飞行器强度设计工具的提供者； 飞行器型号地面验证和鉴定者。一、单位简介计算结构技术与仿真中心，负责计算结构力学技术研

2、究与CAE软件研发等工作。近年来，先后承担了国防基础科研、863、集团创新基金、空装、总装等多项研究任务。参与了多个重点型号的结构优化、强度分析及虚拟试验等工作，为型号研制提供了重要的技术支持。 中心长期坚持自主创新，多次获国家级、省部级科技进步奖，在国内外各类期刊发表科技论文40余篇，其中EI检索8篇，申请发明专利16项，软件著作权15项，取得了显著的社会和经济效益。一、单位简介 复合材料结构分析的特殊性表现在以下方面： 复合材料结构静强度、稳定性设计分析技术 复合材料连接结构失效载荷评估 复合材料新型结构设计与分析技术复合材料分析的关键问题复合材料分析的关键问题尽管复合材料结构的分析方法已

3、经取得了重要的进展，但是，由于复合材料破坏机理的多样性和复杂性，对其结构的失效模式、剩余强度等的可靠预测仍然存在很多问题。目前所采用的结构设计和分析方法往往依赖经验，细节设计的方法和手段更是缺乏。试验件示意图有限元模型多钉连接结构失效载荷评估多钉连接结构失效载荷评估复合材料分析的关键问题复合材料分析的关键问题为了在主承力构件上应用复合材料实现减重和全寿命低成本的设计目标，必将采用适合于主承力构件特点的新型结构，如厚蒙皮翼面结构、双向加筋结构、波纹腹板结构等等。为实现这些结构形式在主承力构件上的应用，必须首先突破其设计与分析技术。复合材料分析的关键问题复合材料分析的关键问题在复合材料结构设计中需

4、要解决以下几个关键问题：大规模设计变量超大规模设计约束（最主要是稳定性问题）多学科综合（柔度大，气动/结构耦合问题突出）复合材料优化设计的工艺实现气动弹性剪裁（翼面结构）复合材料优化设计的关键问题复合材料优化设计的关键问题各个学科的设计自由度与设计准则的数量均呈爆炸型增长。设计自由度 结构参数、外形参数、控制参数； 复合材料单层厚度、铺层顺序、角度。设计准则 强度、刚度要求； 稳定性要求； 重量要求； 疲劳、耐久性要求； 损伤容限要求； 工艺性要求； 适航性要求； 低成本设计要求。复合材料优化设计的关键问题复合材料优化设计的关键问题 需要同时考虑在飞机结构分析和优化过程中所涉及到的各个学科复合

5、材料优化设计的关键问题复合材料优化设计的关键问题优化优化变量优化目标优化约束热强度热应力分析热传导分析气动加热疲劳/损伤容限疲劳寿命疲劳可靠性损伤容限特性载荷按规范生成载荷CFD计算载荷吹风数据修正气动弹性颤振翼面反效抖振静强度应力分析稳定性刚度破坏准则 复合材料典型结构,其成型工艺有多种； 因此设计结果需要考虑成型工艺性、模具设计与制造方便性及制造成本等方面。复合材料优化设计的关键问题复合材料优化设计的关键问题主刚轴为位置对气弹有着重要影响减少攻角增加攻角来流方向原始刚轴位置参考轴减少机动阻力减少机动载荷防止发散外洗内洗防止颤振有利操纵效率有利升力效率复合材料优化设计的关键问题复合材料优化设

6、计的关键问题复合材料优化设计的关键问题复合材料优化设计的关键问题大规模设计变量大规模设计变量超大规模设计约束超大规模设计约束多学科综合多学科综合复合材料优化设计的工艺实现复合材料优化设计的工艺实现气动弹性剪裁气动弹性剪裁复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 新机研制中结构设计工作一般要经过方案论证与概念设计、初步设计、详细设计、 试制与试验、试飞与设计定型等几个阶段。 设计方法和工具必须与飞机设计的流程、规范紧密结合，否则没有应用价值！复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 航空结构强度分析与优化设计软件系统（HAJIF2013）是中航工业强度所研制推出的国内航空界功能最为全面的

7、大型CAE软件系统，以强度试验数据库为支撑，提供飞行器结构静强度、动强度、热强度、气动弹性、结构优化设计等基本求解功能，以及飞机结构细节强度校核、耐久性等特色分析功能。系统还提供可满足用户特殊需求的开放式定制环境，并设计有与多种主流CAE软件的接口，具备独立的前后置处理功能。复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 飞机设计中对优化设计的两个基本要求： 工程化：优化结果的可用性要好，不同设计阶段的变量、优化目标、对结果保真度要求不同。飞机是设计出来的，不是优化出来的，大量的工程设计经验无法进行数值表达。 流程化：飞机作为工业化程度很高的产品，设计的质量必须靠严格的流程保证，而非个人的能力发

8、挥，这就要求飞机设计中实现基于工具的流程化。优化设计模块提供了满应力优化、规划法优化及敏度求解功能，对飞行器设计全周期提供多层次的优化能力，适用于不同工程设计阶段。多层次优化能力翼面多约束优化设计（ 静、动、颤、弹）加筋板的稳定性优化设计全机FSD复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计适合于全机、翼面、机身等不同结构，适用于飞机初步设计和详细设计阶段的结构方案设计和性能评估。给出满足结构静强度约束条件(应力、应变、屈曲)的总体尺寸分布与铺层。杆/梁面积、板厚、复材分层厚度为设计变量；金属材料采用应力比、复合材料采用应变比进行满应力/满应变设计；方法实用高效，只需有限步迭代即可收敛。 （关

9、键点：划分设计区、给定结构许用值、确定上下限、运用松弛系数等）。复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 由用户指定关键元，系统自动查找对应的设计区，由分析模型生成优化模型速度非常快； 按元设计模块； 部件重量计算功能。设计区与关键元部件重量计算复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 复合材料综合设计xyyxoxyoyoxxyyxihrrR)()() 1(kikiKiAA 采用经典层压板理论，同时考虑板的拉 压与弯曲的综合效应 用应变比进行层压板一级优化 按应变能原理进行分层二级优化)(1) 1() 1(knjijijkikijeeAA)() 1()() 1(kijkijkijski

10、jsAAAA 将优化结果分到单层复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 多种FSD计算公式，适于翼机、机身等不同结构； 复材铺层比例约束； 复合材料均衡/非均衡设计； 邻近区域厚度变化约束(展、弦)。复合材料铺层比例控制复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 显式近似优化模型采用直接线性近似、逆线性近似、保守线性近似等函数级数展开方法构建显式近似优化模型，在约束处理上采用约束泛化、约束筛选等方法，只选取有效的约束来构建近似优化模型，有效地减少了计算量。基于近似模型的优化设计复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计以杆/梁元剖面积、板元厚度、复合材料结构的分层厚度作为设计变量，以

11、重量最小作为设计目标。静：广义位移（位移和扭角）动：自振频率颤：颤振速度弹：翼面效率、发散速压复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 敏度分析：采用解析法求解结构响应对设计变量的导数，克服了“差分法”求导的缺陷，使解题精度与计算效率完美结合在一起。 位移导数： 自振频率导数： 颤振速度导数： 翼面效率导数： 发散速度导数： UKKUjj,1jj,21,3jjjfkkbkbV,2,2jTRjCQL,1,TMFTTTSDaQ1oFFoSDTqS1jTjCQqqDD,TMTqTTDCQ1pFoSCTSqD复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 飞机空气动力CFD计算、以及与结构分析的耦合是飞机设计的重要特点，这是飞行设计中特殊性。利用复合材料层压板的刚度方向性和耦合效应，使载荷作用下的翼面结构产生有利的弹性变形，从而提高结构性能和静、动气动弹性特性。复材层板弯扭耦合特性复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计复合材料综合设计复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计复合材料无人机优化设计 超大规模变量参数优化（10万变量、100万局