多学科结构优化

1、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 案例一：客机机翼气动结构多学科优化 在飞机初步设计阶段，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外形，在保证有足够升力的 前提下，使机翼升阻比尽量大。结构设计的任务是选择结构 布局形式，确定结构件尺寸，在保证结构完整性的前提下， 使结构重量尽可能轻。因此，机翼设计应兼顾气动效率要求 和结构重量要求，其关键是找到飞机气动效率与重量之间的 恰好折衷。 工程估算方法也可进行气动效率与重量的权衡分析，但 这种方法精度较低。随着空气动力学和结构有限元方法的不 断成熟和普及，应用多学科设计优化(MDO)方法研究机翼初

2、步设计受到了广泛的关注与应用。 多学科设计优化为客机机翼气动效率与重量之间的权衡分 析提供一个有效的工具。实现这一目标的关键： (1)机翼参数化模型； (2)气动模型和结构模型的自动生成技术； (3)气动与结构的耦合关系分析； (4)实用有效的多学科设计优化方法。 案例一：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。 机翼结构采用基于构型参 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 成的气动网格模型。 机翼结构有限 元模型。 （3）气动与结构的耦合关系分析 气动载荷分布 结构重量 结构弹性变形

3、气动力 气动模型表面与结构模型表 面一致，可以编写插值函数程序 对机翼施加载荷。 (4)实用有效的多学科设计优化方法 （5）客机机翼气动结构多学科优化算例 设计目标：升阻比尽量大重量尽量小。 设计约束：满足升力系数要求；满足强度、刚度要求；油箱体积 要求。 设计变量：外形参数；结构参数。 机翼升阻比和质量的最优解集 结果评价 基于气动/结构的MDO设计方法得出 的最优解集有助于设计人员进行机翼气动 效率与重量之间的权衡分析，确定出最合 理的机翼总体参数。 案例二：航天器多组件结构系统设计 以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 卫星

4、内部会安装多个功 能性设备组件以实现一项或 多项功能，受限于有限的卫 星体积要求，卫星内部结构 在几何空间上具有强烈的冲 突，这就对卫星内部结构的 设计提出了更高的要求。 含多个设备组件的卫星连接结构设计 典型的飞行器多组件结构系统布置 卫星连接结构需要解决的问 题是设计卫星内部固定各个功能 组件的一体化连接结构，使整个 卫星系统可以在4个工况满足力 学性能设计要求：火箭发射时的 加速度载荷工况(主工况)、两个 模拟结构系统横向振动的工况以 及地面操作工况。 同时，卫星连接结构的质量 必须低于预设质量，总体自振频 率必须高于35Hz。 拓扑优化过程 设计中往往组件位置已提前指定，结构设计完 全

5、依赖于组件的预设位置而进行布局。该项目首先 建立了拓扑优化设计域模型，并且留出了设备组件 安装所需要的空间，将设计域离散为有限个实体单 元，设定工况并优化求解，最终得到的满足质量和 自振频率的拓扑优化构型如图(b)所示。 安装上多个功能性设备组件的效果图如图(c) 所示。可以看到，该卫星连接结构不仅通过底部 与火箭相连接，同时还延伸连接到卫星顶部的挂 钩上，并且将多个功能性的组件紧密地连接在一 起，实现了预定的设计要求。 在对结构进行拓扑优化后，有必要对 结构局部尺寸和外形进行详细设计，以满足 最终工程应用要求。 谢谢 参考文献： 1胡添元，余雄庆，多学科设计优化在非常规布局飞机总体设计中的应

6、用 J. 航空学报，2011,32(1),117-127； 2余雄庆,飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向,南京航空航天大学报 J,2008,40(4),417-426； 3朱继宏,高欢欢,张卫红,周莹,航天器整体式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,王稳江, 余雄庆,客机机翼气动/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 总体设计变量 （后掠角、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 征剖面扭转角） 结构设计变量 （梁缘条、腹板厚度） 案例一：客机机翼气动结构多学科优化 机翼初试方案 机翼气动/结构参数化定义 确定全局设计变量 用实验设计确定样本点 参数化外形CAD模型和结构布置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 静气动弹性分析 获取总体性能参数 构造代理模型 检验代理模型精度 系