多学科结构优化概要.ppt

机械结构多学科优化，航天器结构多学科优化实例研究，第三dxl，案例1 :客机机翼气动/结构多学科优化，飞机初步设计阶段机翼设计主要包括气动设计和结构设计。 气动设计的任务是确定机翼的形状，在保证充分升力的基础上尽可能增大机翼的阻力比。 结构设计的任务是选择结构布局形式，确定结构零件的尺寸，在保证结构完整性的基础上，尽量减轻结构重量。 因此，机翼的设计必须考虑气动效率的要求和结构重量的要求，其关键在于找到飞机气动效率与重量之间的正好平衡。 工程估算方法也可以进行气动效率和重量的权衡分析，但该方法精度较低。 随着空气动力学和结构有限元法的成熟和推广，应用多学科设计优化(MDO )法研究机翼的初步设计受到了广泛关注和应用。 多学科设计优化为客机机翼气动效率与重量权衡分析提供了有效的工具。 实现这个目标的关键是： (1)叶片参数化模型(2)气压模型和结构模型的自动生成技术(3)气压和结构的结合关系分析(4)实用有效的多学科设计优化方法。 案例1 :客机机翼气动/结构多学科优化，(1)机翼参数化模型，翼型形状采用基于形状函数和分类函数的参数化模型。 叶片结构采用基于配置参数和属性参数的模型。(2)气动模型和结构模型的自动生成技术，CATIA二次开发自动生成气网模型。 叶片结构有限元模型。 (3)气动与结构耦合关系分析、气动载荷分布、结构重量、结构弹性变形、气动压力、气动模型表面与结构模型表面一致，可编制插值函数程序对叶片施加载荷。 (4)实用有效的多学科设计优化方法，(5)客机翼气动/结构多学科优化算例，设计目标：上升阻力比尽可能大重量尽可能小。 设计制约：满足升力系数要求满足强度、刚性要求油箱体积要求。 设计变量：外形参数结构参数。 对叶片上升阻力比和质量的最优解集进行评估，结果表明，基于气动/结构的MDO设计方法的最优解集有助于设计者进行叶片气动效率和重量的权衡分析，确定最合理的叶片整体参数。 情况2 :以航天器多组件结构系统设计、航天器多组件结构系统设计为例，介绍了近年来拓扑优化技术在航天器多组件结构系统设计中的工程应用情况，在卫星内部设置多个功能设备组件实现一个或多个功能， 受到有限卫星体积要求的限制，卫星内部结构在几何空间具有较强的碰撞，这对卫星内部结构的设计提出了更高的要求。 包括多个设备组件的卫星连接结构设计、典型飞行器多组件结构系统的布置以及卫星连接结构需要解决的问题是，设计一种将各功能组件固定在卫星内部的集成连接结构，使整个卫星系统能够在四种情况下满足力学性能设计要求：火箭发射时同时，卫星连接结构的质量应当低于预设的质量，总的自振频率应当高于35Hz。 此外，优化拓扑的过程通常是在设计过程中预先指定组件位置，结构设计完全取决于组件的缺省位置进行布局。 该项目首先建立拓扑优化设计域模型，确保设备组件安装所需空间，将设计域离散化为有限实体单元，设置实例优化解决方案，满足最终得到的质量和自振频率的拓扑优化结构如图(b )所示。 图3 c示出安装多个功能设备组件的效果图。 可以看出，该卫星连接结构不仅延伸至底部，还延伸至连接至卫星顶部的挂钩，并且紧密连接多个功能部件以实现预先确定的设计要求。结构拓扑优化后，需要详细设计结构的局部尺寸和外形，以满足最终工程应用的要求。 谢谢，参考文献： 1胡加元、馀雄庆、多学科设计优化应用于整个规模的配置飞机设计J .航空学报，2011，32 (1)，117-127； 2馀雄庆，飞机总体多学科设计优化现状与发展方向，南京航空航天大学学报J，2008，40 (4)，417-426； 3朱继宏、高欢、张卫红、周莹、航天器一体多组件结构拓扑优化设计与应用J、航空制造技术、2014(14 )、25-29； 4胡婕、王如华、王安定江、馀雄庆、客机翼气动/结构多学科优化方法、南京航空航天大学报J、2012、44(4)、458-463 .等整体设计变量(后脚角、展玄比、环量展向的控制系数)、气动设计变量(翼型弯曲参数、特征截面扭转角)、结构设计变量(梁边条、腹板厚度) 案例1 :客机机翼气动/结构多学科优化，机翼试验方案，机翼气动/结构参数化定义，全球设计变量确定，实验设计中抽样点确定，参数化外形CAD模型和结构配置CAD模型，气动文件，DV，结构文件，DV， 气动优化目标：阻力最小约束：气动约束变量： DV1，结构优化目标：重量最小约束：结构约束变量： DV2静态气动弹性分析，整体性能参数获