基于應力約束的機翼翼梁結構拓撲優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于應力約束的機翼翼梁結構拓撲優(yōu)化方法，用于解決現(xiàn)有方法設計釘載切向應力大的技術問題。技術方案是采用三維實體單元建立釘載模型。在優(yōu)化的過程中以應力為約束，約束釘載單元處的切向應力最小，用伴隨法求得釘載靈敏度，并和材料用量一起作為剛度優(yōu)化的約束，進行結構拓撲優(yōu)化得到設計結果。該方法能夠保證結構剛度性能，同時合理分配結構傳力路徑，避免應力集中。通過實施例可以看到，約束結構材料體分比同為0.3時，不施加應力約束結構柔順度函數(shù)為0.0207J，施加釘載應力約束后結構柔順度函數(shù)不變的情況下，螺栓最大切應力由17.9MPa降低到11.3MPa，降低了36.8%，降低了螺栓單元的切向應力。
【專利說明】基于應力約束的機翼翼梁結構拓撲優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機翼翼梁結構拓撲優(yōu)化方法，特別涉及一種基于應力約束的機翼翼梁結構拓撲優(yōu)化方法。
【背景技術】
[0002]文獻I “基于ISIGHT/NASTRAN的機翼翼梁的結構優(yōu)化設計.王祥生等.飛機設計.2008.28(4):23-27.”中提出了一套基于ISIGHT/NASTRAN的機翼翼梁結構優(yōu)化設計優(yōu)化方法。該方法在滿足機翼強度要求的情況下，在結構優(yōu)化中以結構質(zhì)量為目標，腹板VONMISES應力、緣條軸向應力以及緣條梁單元應力為約束。通過尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化有效地減少了梁的重量，并且滿足強度要求。
[0003]文獻2 “大展弦比飛翼結構拓撲、形狀與尺寸綜合優(yōu)化設計.王偉，楊偉，趙美英.機械強度,2008, 30 (4):596-600.”提出一種可用于機翼結構布局問題兩級三層的拓撲、形狀與尺寸優(yōu)化方法。第一級為拓撲層優(yōu)化，采用拓撲優(yōu)化手段得到機翼結構的大致翼梁數(shù)目與位置；第二級，形狀與尺寸優(yōu)化，在第一級優(yōu)化的基礎上，使用形狀優(yōu)化手段在一定范圍內(nèi)調(diào)整修正翼梁位置，同時進行尺寸優(yōu)化。
[0004]文獻I設計變量為梁單元截面參數(shù)，優(yōu)化類型為尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化。設計變量受到截面參數(shù)和類型的限制，適用于結構構型已經(jīng)確定的情況。優(yōu)化效果有限，無法通過改變結構傳力路徑達到優(yōu)化鉚釘釘載分配的目的。
[0005]文獻2公開的方法在第一層拓撲優(yōu)化選用整體柔順度為優(yōu)化目標，約束材料體積分數(shù)。但是該方法在拓撲優(yōu)化層并未考慮應力約束對結構的影響。提高了結構了剛度，但是會出現(xiàn)應力集中等情況。
[0006]飛機部件設計中涉及到的因素復雜，包括穩(wěn)定性、剛度、強度、屈服等。隨著飛機機動性能的不斷提高，翼展也越來越大，這將導致機翼根部承受更大的載荷。由于翼型帶有彎度且各處翼型厚度不同，在翼展各個部位剛度存在差別。翼梁彎曲的過程中螺栓連接的兩部分間存在較大的位移差。橫向的位移差導致機翼翼根處螺釘產(chǎn)生較大的切應力。當出現(xiàn)這種情況時，需要加厚蒙皮或者更換較強的緊固件來保證結構強，在設計上會產(chǎn)生剛度冗余。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有方法設計釘載切向應力大的不足，本發(fā)明提供一種基于應力約束的機翼翼梁結構拓撲優(yōu)化方法。該方法采用三維實體單元建立釘載模型。在優(yōu)化的過程中以應力為約束，約束釘載單元處的切向應力最小，用伴隨法求得釘載靈敏度，并和材料用量一起作為剛度優(yōu)化的約束，進行結構拓撲優(yōu)化得到設計結果。在拓撲優(yōu)化設計中引入該方法，能夠在結構的初始設計階段保證結構剛度性能，同時合理分配結構傳力路徑，避免應力集中。
[0008]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于應力約束的機翼翼梁結構拓撲優(yōu)化方法，其特點是包括以下步驟:
[0009]步驟一、建立拓撲優(yōu)化模型，定義梁腹板為拓撲優(yōu)化的設計域Ω并將Ω離散為η個有限單元，定義優(yōu)化目標函數(shù)為柔順度函數(shù)最小，約束條件為材料使用體分比小于F,單元切應力小于5:
【權利要求】
1.一種基于應力約束的機翼翼梁結構拓撲優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、建立拓撲優(yōu)化模型，定義梁腹板為拓撲優(yōu)化的設計域Ω并將Ω離散為η個有限單元，定義優(yōu)化目標函數(shù)為柔順度函數(shù)最小，約束條件為材料使用體分比小于I7，單元切應力小于5:
【文檔編號】G06F17/50GK103440378SQ201310378855
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權日:2013年8月27日
【發(fā)明者】張衛(wèi)紅, 侯杰, 谷小軍, 朱繼宏 申請人:西北工業(yè)大學