基于可靠性的飞机风挡抗鸟撞优化设计.pdf

学术论文 基于可靠性的飞机风挡抗鸟撞优化设计 R e l i a b i l i t y B a s e dO p t i m i z a t i o nD e s i g no f A i r c r a f tW i n d s h i e l df o rR e s i s t i n gB i r dI m p a c t 西北工业大学于明刘永寿李磊岳珠峰 【摘要1 传统的飞机风挡设计通常在确定的工况 下进行，未能充分考虑实际鸟撞风挡过程中不确定性因 素的影响，导致飞机鸟撞风挡的故障多发。综合考虑鸟 撞飞机风挡过程中鸟体材料参数、质量、撞击速度等不 确定因素的影响，以飞机风挡抗鸟撞的可靠度为约束， 风挡质量为目标，基于双循环方法和近似技术建立了风 挡抗鸟撞可靠性优化设计系统，利用一阶矩法进行可靠 性分析对某飞机风挡进行了基于可靠性的优化设计。 实例分析证明所建风挡抗鸟撞可靠性优化设计系统可 行有效。 关键词：飞机风挡鸟撞可靠性设计优化一 阶矩法近似技术 f A B S T R A C T lT r a d i t i o n a lm e t h o d sf o ra i r c r a f t w i n d s h i e l dd e s i g na r ec a r r i e do u tb a s e do nd e t e r m i n a t e w o r kc o n d i t i o n T h ee f f e c to fu n c e r t a i n t yf a c t o r sd u r i n g t h ep r o c e s so fw i n d i h i e l di m p a c t e db yb i r da r en o tf u l l y c o n s i d e r e d 。S Ot h i sr e s u l ti nl o wr e l i a b i l i t yo fw i n d s h i e l d p e r f o r m a n c e T h ee f f e c t so fu n c e r t a i n t yf a c t o r si n t oa sb i r d b o d ym a t e r i a lp a r a i n e t e r s ，m a s sa n di n p a c tv e l o c i t yd u r i n g t h ep r o c e s so fw i n d s h i e l di m p a c t e db yb i r da r ec o n s i d e r e d R e l i a b i l i t y b a s e do p t i m i z a t i o nd e s i g no fw i n d s h i e l df o r r e s i s t i n gb i r di m p a c ti ss e tu pa c c o r d i n gt ot h er e l i a b i l i t yo f a i r c r a f tw i n d s h i e l df o rr e s i s t i n gb i r di m p a c ta n dt h e w i n d s h i e l dq u a l i t yb a s e do nt h ed o u b l el o o ps t r a t e g ya n dt h e a p p r o x i m a t i o nt e c h n i q u e T h er e l i a t i l i t ya n a l y s i si sc a r r i e d o u tb yu s i n gt h ef i r s t o r d e rr e l i a b i l i t ym e t h o d T h er e l i a b i l i v y ，b a s e do p t i m i z a t i o nd e s i g no fa i r c r a f tw i n ds h i e l df o r r e s i n t i n gb i r di m p a c ti sm a d e I ti sp r o v e dt h a tt h i so p t i m i z a t i o nd e s i g ni sf e a s i b l e K e y w o r d s ：A i r c r a f tw i n d s h i e l dB i r di m p a c t R e l i - a b i l i t y - b a s e do p t i m i z a t i o nd e s i g nF i r s t - o r d e rr e l i a b i l i t y m e t h o d A p p r o x i m a t i o nt e c h n i q u e 飞机风挡的抗鸟撞性能是飞机设计所关心的关键 力学性能之一。鸟撞飞机风挡是发生在毫秒量级的冲 击动力学问题，具有瞬时强值动载荷、柔性撞击、大变 形、高应变率等特点，涉及材料动力学、结构冲击动力学 等理论。通常对鸟撞的动响应分析方法包括试验和数 值模拟两种。近年来学者们对鸟撞动响应分析数值模 拟方法作r 大最I ：作，形成了包括解耦解法和耦合解法 在内的一系列分析策略，对改进风挡设计起到r 革要作 用1 1 - 3 1 。但传统的风挡设计和优化工作在确定下况下进 行，没有定量的从可靠性的角度考虑和实施设计”l ，忽 略了实际鸟撞风挡过程中鸟体材料、质量、形状以及速 度等不确定性因素的影响，使得风挡实际工作下的可 靠性得不到保证。目前，针对风挡抗鸟撞的町靠性优化 设计工作较少，本文综合考虑鸟撞过程中不确定因素的 影响，结合双循环策略和近似技术建立了风挡抗鸟撞可 靠性设计优化模型，以风挡性能可靠度为约束，利用改 进的一阶矩法进行可靠性分析，对某飞机风挡进行了可 靠性设计优化。 1风挡抗鸟撞可靠性优化设计 1 1 基于双循环的可靠性优化设计方法 基于可靠性设计优化| 5 。9 I 的目的是在满足可靠性约 束的条件寻求系统的最优解。目前对此类| 日J 题的求解常 用方法为双循环方法。双循环方法【l o 。1 “为一个嵌套结 构，内环进行町靠性分析循环，也即概率约束的计算；外 环为优化循环，使含有可靠件约束的问题得到最优解。 由于鸟撞过程属于非线性动力学分析求解过程需要进 行多步迭代才能收敛，使得分析过程耗费资源较大，而 风挡可靠性设计优化在寻优和求解可靠度时需反复调 用鸟撞分析，为提高计算效率，本文在风捎可靠性设计 优化中引入近似技术，通过在设汁空间内构造数学模型 代替实际的分析过程利用试验设计( D O E ) 进行采样， 并在优化过程中实时增加样本点，保证近似模型精度， 所建立的飞机风挡抗鸟撞可靠性优化设计流程见图1 。 1 - 2A F O S M 法可靠性分析 工程常用可靠性的分析有一次二阶矩法、蒙特卡 洛法等。一次二阶矩法是町靠性分析中最简单的一种 方法，其基本思想就是将非线性的功能雨数线性化，然 后通过基本变量的一阶矩和二阶矩来计算线性化后的 功能函数的一阶矩和二阶矩，进而近似得到功能函数 的失效概率。一次二阶矩法包括均值一次二阶矩法和 2 0 1 2 年第1 1 期航空制造技术9 3 万方数据 学术论文 更 新 数 据 图1风挡抗鸟撞可靠性设计优化流程 F i g 1 F l o wc h a r to fr e l i a b i l i t yo p t i m i z a t i o nd e s i g no f w i n d s h i e l df o rr e s i s t i n gb i r di m p a c t 改进的一次二阶矩法( A d v a n c e dF i r s tO r d e ra n dS e c o n d M o m e n t ，A F O S M ) ，改进的一次二阶矩法将功能函数在 最廿丁能失效点( M o s tP r o b a b l eP o i n t s ，M p p s ) 处展开，相 对均值一次二阶矩法具有更高的精度。以下为A F O S M 法可靠性分析的基本原理。 设包含相互独立正态基本随机变量工i ，N 帆，吒) ( f = l ，2 ，疗) 的功能函数为Z = g ( J l ，x 2 ，工。) ，以 A F O S M 求解失效域最可能失效点P + ( 戈知蔓，) 和 相应的町靠度指标的步骤为： ( 1 ) 假定设计点坐标一( i = 1 2 ”，珂) 的初始值，一 般取为基本变量的均值； ( 2 ) 利用设计的初始设计点值，根据下式计算A ；： ( 娶) 以 = 一葡2 c 。s q = 1 2 玎；1 ( 3 ) 将葛= 1 。+ o - , t f l 代入功能函数，得出关于口 的方程： g ( x ：，蔓，) = 0 ； ( 2 ) ( 4 ) 解关于卢的方程，得出卢值； ( 5 ) 将卢值代入下式，得出新的设计点葺坐标值； 薯= 地+ 吒邶( i = l ，2 ，n ) ；( 3 ) 9 4 航空制造技术2 0 1 2 年第1 1 期 ( 6 ) 重复以上步骤，直到迭代前后两次的可靠度指 标的相对误差满足精度要求为止。 本文基于上述可靠性优化设计模型采用改进的一 次二阶矩法进行飞机风挡抗鸟撞的可靠性分析。 2 鸟撞求解分析方法 鸟撞飞机风挡的过程相当于高速流体团撞击结构， 采用流固耦合方法进行分析能较为真实地模拟鸟撞过 程。对鸟撞，任意拉格朗日一欧拉耦合( A L E ) 是最高 效的耦合分析方法，A L E 方法中，拉格朗E l 网格与欧拉 网格的节点在界面上一一对应，位置重合，但是是不同 的两个节点。在分析过程中该界面充当欧拉材料的流 场边界。另一方面，欧拉材料对该界面产生压力，从而 使模型的拉格朗日部分受到载荷的作用。 本文采用D a t r a n 软件进行鸟撞分析，鸟体本构模型 采用L i n f l ui d ( D M A T ) 模型，风挡玻璃本构采用线性强 化弹塑性本构E l a s P l a s ( D M A T E P ) 模型。利用以A L E 法 进行鸟撞分析数值模拟，鸟体模型采用长径比为2 ：l 的圆柱体，沿飞机平飞方向撞击风挡中心点。 3 实例分析 3 1 风挡抗鸟撞可靠性优化设计数学模型 基于口靠性优化设计的基本方式为将系统不确定 性因素定义为随机变量或参量，选择合适的可靠性设计 优化策略，建立基于可靠性的优化设计模型，基于一定 的优化算法进行优化设计。实际鸟撞飞机风挡过程中， 鸟体材料、大小及撞击速度等因素均具有一定的分散 性，为不确定因素，而这些因素对鸟撞中风挡的响应具 有重要的影响。对鸟体，本文考虑将鸟体密度、质量( 通 过鸟体半径控制) 、速度以及鸟体体积模量作为随机参 量；风挡，考虑风挡厚度为随机设计变量，风挡材料弹性 模量、泊松比、屈服应力为随机参量。表1 给出了风挡 抗鸟撞可靠性优化设计随机变量和参量的分散性指标。 本文考虑鸟撞风挡过程中的随机凶素的影响，以风 挡质量为目标，风挡性能可靠度为约束，建立可靠性设 计优化模型，并基于双循环可靠性设计优化方法进行求 解，其数学模型表示如下： o b j m l n M 。1 。 碣d 或 ( 4 ) J t P r E p ( d , p l , “ “ p k ) 矗。 0 9 9 9 5 式中，M 山。，为风挡质量，为优化目标；d 为风挡厚度，为 随机设计变量，d r 、d 。表示风挡厚度的上下限；P ， P 。为鸟体材料、尺寸、撞击速度等随机参量；P r 为可靠性 约束；占。为风挡等效塑性应变；8 。表示最大允许等 效塑性应变。由于本文中风挡玻璃为线性强化弹塑性 万方数据 本构E l a s P l a s ( D M A T E P ) 模型，该材料本构模型具有双 线性性能，破坏准则采用最大塑性应变失效模式，即撞 击过程中风挡材料的塑性应变达到失效塑性应变时材 料破坏。 3 - 2 优化结果和分析 以某飞机风挡为对象，基于上述风挡抗鸟撞可靠性 设计优化模型，利用超拉丁方法进行试验设计，建立初 始数据库，以K r i g i n g 方法构建近似模型，优化算法采用 全局寻优的多岛遗传算法和局部寻优的可行方向法形 成的组合算法，保证了在对设计空间进行寻优和可靠性 分析求解最可能失效点( M p p s ) 时能快速得到最优解。 建屯整个分析流程后即顺利实现了风挡抗鸟撞的可靠 性优化设计。优化结果如表2 所示，在满足风挡抗鸟撞 性能可靠度约束的前提下，通过优化设计，风挡质量由 初始的2 0 5 1 k g 下降到1 7 8 7 k g ，下降幅度为1 2 8 7 ，优 化效果明显。 表1 随机量分布指标 k 随机量分布类型均值 变异系数j 风挡厚度d m m正态( 1 0 2 0 )0 0 5 P 0 0 5 鸟体半径m m正态 5 3 6 j 鸟体密度，( k g m 。3 ) 正态 9 3 0o 0 5 1 鸟撞速度，( m s 。)正态1 5 0O 1 k 鸟体体积模量M P a 正态 2 2 e 3 0 0 l 风挡弹性模量m P a正态 3 1 3 00 0 1 2 风挡泊松比正态0 3 1 40 0 1 3 ， 风挡屈服应力M P a正态 5 5O O l 注：表中均值项( n ，b ) 中的a 和6 分别对应随机设计变量的上下限 均值固定的量为随机参量。 明了本文所建风挡抗鸟撞口，靠性优化设计框架的可行 性，对工程设计有一定的参考价值。 参考文献 1 I张志林，姚卫星飞机风挡鸟撞动响应分析方法研究航空 学报，2 0 0 4 ，2 5 f 6 1 ：5 7 7 5 8 0 【2 】李磊，虞跨海，毛坤，等多学科设计优化在飞机座舱透明 件设计中的应用机械设计，2 0 1 0 ，2 7 ( 1 1 1 ：6 9 7 2 3 】王富生，岳珠峰，冯震宙，等鸟撞飞机风挡动态响应数值 模拟方法研究现状飞机设计，2 0 0 8 ，2 8 ( 5 1 ：3 9 4 6 4 J 屈滋培可靠性工程北京：原子能出版社，2 0 0 0 5 】C h e nXG ，H a s s e l m a nTK ，N P i l lDJ R e l t a b i l i t yb a s e d s t r u c t u r a ld e s i g no p t i m i z a t i o nf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s 3 8 t ht h eA I A A ， A S M E ，A S C E ，A H S ，A S ES t r u c t u r a lD y n a m i c s a n dM a t e r i a l sC o n f e r e n c e H y a t tO r l a n d o 。K i s s i m e e FL A 1 A A - 9 7 1 4 0 3 1 9 9 7 f 6 lD uX ，C h e nW S e q u e n t i a lo p t i m i z a t i o na n dr e l i a b i l i t y & q s e s s m P n tf o rp r o b a b i l i s t i ed e s i g n A S M EJ o u m a lo fM e c h a n i c a lD e s i g n ， 2 0 0 4 ，1 2 6 ( 2 ) ：2 2 5 2 3 3 7 】D uXP S u d j i a n t oA C h e nW A ni n t e g r a t e df r a m e w o r kf o r o p t i m i z a i o nu n d e ru n c e r t a i n t yu s i n gi n v e r s er e l i a b i l i t ys t r a t e g y J A S E M J o u r n a lo f M e c h a n i c a lD e s i g n 。2 0 0 4 ，1 2 6 ：5 6 2 - 5 7 0 【8 】P e r e zRE L i ut l u g hHT ，B e h d i n a nK E v a l u a t i o no f m u h i d i s f 。i p l i n a r yo p t i m i z a t i o na p p r o a c h e sf o ra i r c r a f tc o n c e p t u a ld e s i g n A I A A2 0 0 4 4 5 3 7 【9 J T u r c o t t eJ ，T r e p a n i e rJY ，T r i b e sC I n t e g r a t i o na n d m u h i d i s l i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o no fas i m p l i f i e dg a st u r b i n em o d e l u s i n gl v e r a n di s i g h t A I A A2 0 0 4 - 4 4 2 5 【l0 J 原薇基于可靠性的多学科设计优化【D 大连：大连理工 大学，2 0 0 4 【lI I 袁亚辉多学科设计优化及其不确定性研究【DJ 成都：电 子科技大学，2 0 0 9 1 1 2 l 李磊，李元生，于明，等船用大功率柴油机涡轮增压器 多学科设计优化北京：科学出版社，2 0 1 1 ( 击编良辰) 表2 从挡抗鸟撞化前后比较 ( 上接第8 5 页) ： 参数优化前优化后 相刘变化： 风挡厚度r a m 1 61 3 q 4 风挡质量，k g 2 0 5 l1 7 8 7l1 2 - 8 7 k 风挡抗鸟撞的町靠度 l9 9 9 8 9 满足约束g 4 结论 本文综合考虑鸟撞飞机风挡过程中不确定性斟素 的影响建立风挡抗鸟撞可靠性优化设计模型，通过双 循环策略组织整个分析过程，引入近似技术，在保证模 型精度的前提下提高了计算效率。在此基础上对某风 挡进行基于可靠性的优化设计，由优化结果和分析可 知，与传统的风挡设计方法相比，在保证风挡抗鸟撞性 能的町靠度前提下有效降低了风挡质量。实例分析说 参考文献 1 K o c a rV ，A k g u n d n zA Av i r t u a le n v i r o n m e n tf o re n g i n e e r i n g c h a n g em a n a g e m e n t C o m p u t e r si nI n d u s t r y ，2 0 0 1 ，6 1 ( 1 ) ：1 5 2 8 【2 何睿唐敦兵。薛建彬基于设计结构矩阵的工程变更传 播研究计算机集成制造系统，2 0 0 8 ，1 4 ( 4 ) ：6 5 6 6 6 0 f 3 】 C l a r k s o nL ，J o h nP S i m o n s