某型飞机复合材料整流罩优化设计

某型飞机复合材料整流罩优化设计

1引言

现在航空航天工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是2个突出的问题。结构优化被证明在这2个方面是非常有效的工具。HyperWorks中的OptiStruct在结构优化领域受到了众多航空企业的认可并大量应用。

针对金属结构，通过两步法进行优化设计。第一步，通过拓扑优化方法得到概念设计；第二步，用参数优化和形状优化方法对设计细节进行进一步优化。复合材料给设计带来了很多可变因素，所以优化也更为复杂。针对纤维增强复合材料层合板，主要应用复合材料三步法优化方法。第一步，运用自由尺寸优化，考虑到铺层方向，给出材料的总体分布，得到每个角度铺层的厚度分布；第二步，考虑到所有的制造加工约束和工况载荷，对每个角度铺层进行尺寸优化，得到每个角度铺层的精确厚度分布和没有角度的铺层数量；第三步，进行铺层顺序优化，得到满足制造工艺要求的铺层顺序。这种方法已经在OptiStruct中实现并为众多航空企业所应用。

本案例基于OptiStruct软件通过复合材料三步优化方法对某型飞机复合材料整流罩进行了优化设计，最终实现了减重目标。

2模型简介

整流罩模型如图 1所示，长度为3000mm，宽度为2000mm。模型材料属性为碳纤维复合材料，初始铺层为[0/45/-45/90]，单层厚度为2mm，单层板材料属性如表 1所示。载荷工况包括2个：一个是0.02MPa内部均布压力载荷工况；另一个是+Z向6.75g过载工况。模型中有2个负载，分别为2kg和3kg，通过RBE3单元施加到整流罩上，另外对模型四边施加固定约束，如图 2所示。整流罩的设计中需要考虑两者关键指标：一是一阶固有频率不小于20Hz，二是结构最大应变小于1000微应变。

图 1 整流罩模型

表 1 单层板材料属性

图 2 负载和边界条件

3优化设计

3.1第一步：概念设计-自由尺寸优化

在自由尺寸优化中，优化设置如下：

（1) 目标函数：最小化两种载荷工况的加权柔度；

（2) 约束：体积分数<0.3；

（3) 设计变量：每个方向铺层厚度；

（4) 考虑的制造工艺约束包括：

a) 0度铺层百分比80%；

b) 各个方向铺层厚度不能小于真实单层板厚度（0.1mm）；

c) +45°/-45°度均衡铺层。

自由尺寸优化目标函数迭代曲线如图 3所示，从中可以看出，经过9步迭代计算后达到收敛。优化后单元总厚度如图 4所示，从中可以看出最厚处为5.95mm；4个纤维方向厚度分布如图 5至图 8所示，根据结果云图来看，90°;铺层最厚，+45°/-45°厚度相同，满足均衡铺层要求，0°铺层最薄。自由尺寸优化之后，根据优化结果创建下一步优化用的有限元文件，包括优化后的剪裁形状、铺层厚度等信息，每个铺层角度分为4个铺层。

图 3目标函数迭代曲线（加权柔度）

图 4 自由尺寸优化后单元总厚度

图 5 自由尺寸优化后0°铺层厚度

图 6 自由尺寸优化后45°铺层厚度

图 7 自由尺寸优化后-45°铺层厚度

图 8 自由尺寸优化后90°铺层厚度

3.2第二步：详细厚度调整-铺层厚度尺寸优化

第二步进行尺寸优化，对上一步各个角度铺层厚度进行微调。在实际设计中，这一步还应当考虑强度和稳定性的约束条件，在本问题中，增加了固有频率和最大应变约束条件。具体优化设置如下：

（1) 目标函数：最小化可设计区域设计总体积；

（2) 设计变量：每个方向铺层厚度；

（3) 约束：一至五阶固有频率20Hz；结构最大应变1000微应变;；

尺寸优化目标函数迭代曲线如图 9所示，从中可以看出，经过11步迭代后目标函数收敛。尺寸优化之后，单元总厚度如图 10所示，从中可以看出最厚处为5.90mm，相对图 4已经有了一定的调整。

图 9 目标函数迭代曲线（总体积）

图 10 尺寸优化后单元总厚度

尺寸优化之后，OptiStruct根据每个真实物理铺层的厚度（0.1mm），自动创建实际的物理铺层数量。本算例中共创建了56个物理铺层：

a) 0°铺层5层；

b) +45°铺层17层；

c) -45°铺层17层；

d) 90°铺层17层

尺寸优化后，整流罩在各个工况下的位移和应变云图如表 2所示，从中可以看出，最大主应变（783.0微应变）发生在内压工况，满足设计值（小于1000微应变）；一阶基频为21.1Hz，满足设计值（大于20Hz）。

表 2尺寸优化后各工况下位移和应变云图

过载工况
	最大位移：1.167mm	最大主应变：174.6微应变;
内压工况
	最大位移：3.536mm	最大主应变：783.0微应变n;
基频工况
	一阶固有频率：21.1Hz	二阶固有频率：22.1Hz
	三阶固有频率：22.4Hz	四阶固有频率：31.0Hz

3.3第三步：创建铺层表-铺层顺序优化

这一步主要是在保证制造工艺和性能要求的前提下，创建铺层表。例如这些要求包括：

a) 每个纤维方向的最大连续铺层数量；

b) +45°/-45°均衡铺层；

c) 确定夹芯和外层顺序等。

本案例中，考虑的要求包括：

a) 每个纤维方向的最大连续铺层数量不大于4层；

b) +45°/-45°均衡铺层。

优化后模型局部铺层如图 11所示，优化后具体铺层表如表 3所示。

图 11 铺层顺序优化后局部铺层信息

表 3 铺层表

优化前	优化后	备注
1101	2101	90度铺层
1201	3101	45度铺层
1301	4101	0度铺层
1302	4102	-45.0度铺层
1401	3201
2101	2201
2201	4103
2202	1101
2301	2202
2302	3202
2401	4104
2402	4105
2403	3301
2404	2301
2405	4106
2406	1201
2407	2302
2408	3302
2409	4107
2410	4108
2411	3401
2412	2401
3101	4109
3201	2402
3202	3402
3301	1301
3302	3403
3401	2403
3402	4201
3403	2404
3404	3404
3405	4202
3406	3405
3407	2405
3408	4203
3409	2406
3410	3406
3411	1302
3412	3407
4101	2407
4102	4204
4103	2408
4104	3408
4105	4301
4106	3409
4107	2409
4108	4302
4109	2410
4201	3410
4202	1401
4203	3411
4204	2411
4301	4303
4302	2412
4303	3412
4401	4401

附录A 各铺层外形图

A.1  0度铺层

1101	1201
1301-1302	1401

A.2  45度铺层

2101	2201-2202
2301–2302	2401-2412

A.3  -45度铺层

3101	3201-3202
3301-3302	3401-3412

A.4  90度铺层

4101	4102
4103	4104
4105	4106
4107	4108
4109	4201-4204
4301-4303	4401