优化摘要概括.doc

金海波，复合材料飞机结构综合优化设计系统研究，南京航空航天大学，硕士论文，2003.6.4.1多级混合结构优化设计方法从结构优化设计模型上看，理论上单级结构的优化模型可以在整体设计空间上得到最优的设计结果。但是在实际应用中，对于比较复杂的结构设计问题，这种单级结构优化模型实际上无法实用的。例如对于前掠机翼结构的优化设计，它的设计要求包括强度、刚度、稳定性和气动弹性等要求。如果用单级优化模型，那么其设计变量不仅要包括复合材料的铺层层数，由于需要进行稳定性分析，它还需要包含复合材料层合板的弯曲刚度参数。从数量上看，其设计变量总数要比不考虑弯曲刚复合材料飞机结构综合优化设计系统研究度参数的设计变量数增加一倍。一般优化设计的计算量是和设计变量数成指数关系，变量数越多，其增加的计算时间就翻倍地增长，因此其计算效率会非常的低。此外不合理地把那些只影响局部性质的设计变量加入到总体设计环节的优化设计过程中，不仅不会找到系统的全局最优解，反而会由于系统大规模计算造成的一些误差而影响系统的收敛性和稳定性。所以对于大型复杂的工程结构设计问题，采用符合一般工程结构设计经验的，基于系统工程理论的多级结构优化设计模型，是解决复杂结构优化设计的理想方法。多级结构优化设计模型利用系统论中的层次分析方法，把研究对象分成高低不同层次，高层次包含或支配低层次，低层次隶属和支撑高层次。具体到本章所研究的前掠机翼结构的综合优化设计问题，从设计变量对结构性能的影响上着，可以分为两类。一类是对结构总体性能有较大影响的设计变量，这里定义为总体设计变量，,L主要是复合材料的铺层厚度和板单元的截面厚度等截面尺寸变量;另一类是只对结构局部性能有较大影响的设计变量，这里定义为局部设计变量，例如复合材料的铺层顺序等设计变量。从约束条件的计算复杂程度上看，约束条件也可以分为两大类，一类是比较容易计算的约束条件，如结构的强度和刚度等。另一类是计算比较复杂的约束条件，如结构的发散和稳定性等。对于计算复杂的约束条件，本文希望能用比较少的设计变量实现这类约束条件对结构优化过程的控制，其中对于总体性能约束条件本文将主要考虑那些和它相关的总体设计变量，而对于局部性能约束条件，本文将把变量限定于和它相关的局部变量范围内。根据上述设计思想，结合本文COSOAS系统的实现条件，本文把结构综合优化设计系统划分为三个优化层次:系统层，部件层和单元层。系统层以总体设计变量作为优化模型的设计变量，忽略局部设计变量对优化模型的影响，以结构的重量作为设计目标，以结构的刚度、强度、静气动弹性发散速压作为约束条件进行优化设计，得到总体设计变量的最优结果。部件层主要考虑机翼结构的稳定性约束条件，其设计变量是层合板的弯曲刚度参数。单元层将根据部件层分析得到的弯曲刚度参数大小，用遗传优化算法设计复合材料结构的铺层顺序，从而得到最终的复合材料铺层设计结果。根据这个设计结果，再分析结构的总体设计性能，看是否满足总体的设计要求，如果不满足设计要求，就需要调整一部分总体设计变量的上、下限和铺层设计的铺层比例，重新进入系统层进行分析优化。如果满足设计要求，就可以退出系统。其流程结构如图6-5所示:图 6- 5 多级综合优化设计模型不同于其它多级优化模型，本文结合前掠翼实际的设计过程，提出了多级混合优化设计模型。其基本思想是这样的，在系统层本文将静气动弹性的发散速压、刚度和强度等作为约束条件。但是由于条件限制，MSC.Nastran中的静气动弹性分析模块只能分析网格节点比较稀疏的模型。可是对于结构静力分析来说，这样的有限元模型误差比较大。为了能同时满足静气动弹性、刚度和强度分析和优化设计的要求，本文结合COSOAS系统的灵活性，提出了用混合有限元模型实现系统层优化设计的方法。即在系统层的优化设计过程中，有两套有限元模型。对于静气动弹性分析过程，本文用网格比较稀疏的有限元模型分析计算，并且产生相应的灵敏度信息。对于刚度和强度分析过程，本文用比较细致的有限元模型进行分析计算，同样也要产生相应的灵敏度信息。然后它们的函数值和灵敏度信息一起进入优化系统，进行优化，得到一个最优解。然后这个解又映射到模型单元的设计变量上，修改这些变量，进行下一步的分析过程，产生新的目标函数值和灵敏度信息