飞机结构分析与设计讲稿课件

飞机结构分析与设计第二讲飞机结构分析与设计第二讲1第12章的主要内容结构设计思想的发展现代结构设计方法简介有限元素法结构优化设计数字化设计（自学）多学科设计优化（自学）重点掌握：各种结构设计思想之间的差别；各种设计方法的思想或原理。第12章的主要内容结构设计思想的发展重点掌握：2第12章飞机结构设计思想和方法12.1飞机结构设计思想的发展过程20世纪/40年代/50、60年代/70年代目前只考虑强度、刚度设计→静、动强度设计静强度、动强度和疲劳安全寿命设计破损安全、耐久性、损伤容限设计等要求

保证结构的完整性

飞机结构设计必须保证结构有良好的安全可靠性。随着科学技术的发展，飞机结构设计的准则、要求、方法和内容均有很大的发展。飞机结构设计思想发展过程第12章飞机结构设计思想和方法12.1飞机结构设计思想的312.1飞机结构设计思想的发展过程静强度和刚度设阶段强度、刚度、疲劳安全寿命设计阶段强度、刚度、损伤容限和耐久性设计阶段结构可靠性设计试用阶段20世纪/40年代/50、60年代/70年代目前只考虑强度、刚度设计→静、动强度设计静强度、动强度和疲劳安全寿命设计破损安全、耐久性、损伤容限设计等要求

保证结构的完整性

每种思想的（1）当时技术发展背景；（2）设计准则12.1飞机结构设计思想的发展过程静强度和刚度设阶段20世412.2飞机结构设计方法飞机结构设计方法随着科学与技术的发展在不断进步。飞机结构设计方法发展情况表年代50年代60年代80年代设计方法定性分析和初步定量设计较精确的定量设计和优化设计并行工程方法—全寿命周期的系统化设计方法科技水平简单分析模型、经验及解析分析法大型复杂的模型、有限元技术、数值分析法除了已有的技术外，还有系统工程等理论12.2飞机结构设计方法飞机结构设计方法随着科学与技术的发5随着飞机性能的提高、新材料和新技术的应用，现代飞机的结构越来越复杂，结构设计人员要掌握现代科学技术的新成果，采用先进的设计方法和技术，才能设计出成功的结构。下面简要介绍几种以计算机技术为基础的重要的设计方法和技术有限元素法结构优化设计数字化设计（自学）多学科设计优化（自学）随着飞机性能的提高、新材料和新技术的应用，现代飞机的结构越来612.2.1结构有限元分析一、有限元素法在结构设计的作用二、有限元素法的基本概念三、有限元模型化原则四、有限元软件12.2.1结构有限元分析一、有限元素法在结构设计的作用7一、有限元素法在结构设计的作用结构设计的具体过程：具体结构外载荷、边界条件等结构的应力、应变分析结构的失效判据评估结构承载能力、使用寿命、可靠性等修改、完善设计，制定试验方案等等有限元素法有限元分析在结构设计中的作用一、有限元素法在结构设计的作用结构设计的具体过程：具体结构外8二、有限元素法的基本概念有限元法的定义单元网格剖分有限元法解题操作的典型步骤影响有限元法计算精度的因素有限元素法的定义有限元素法是将一个形状复杂的连续体分解为有限个形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组成的等效组合体，把求解连续体的场变量（应力、位移等）问题简化为求解有限个单元节点上的场变量值。它是一种近似数值分析方法，因为其求解的基本方程是一个代数方程组，而不是描述真实连续体场变量的微分方程组。全机有限元计算模型机翼、机身计算模型二、有限元素法的基本概念有限元法的定义有限元素法的定义有限元9单元单元的形式可以区分为（1）按几何形状：一维、二维或三维；（2）按节点参数：Lagrange族（只包含场函数的节点值）或Hermite族（还包含场函数导数的节点值）；（3）按插值函数：Lagrange多项式或Hermite多项式；（4）按单元坐标：笛卡儿坐标或自然坐标。这些区分法在有限元素法的专门课程中会介绍，这里简单介绍一下第一种分法的元素单元单元的形式可以区分为这些区分法在有限元素法的专门课程10网格剖分有限元网格剖分应满足以下条件：单元之间不能相互重叠或分离，要与原结构的占有空间相容。单元应精确逼近原结构。即：所有原结构的顶点都应取为单元的顶点，所有网格的表面顶点都应落在原结构表面，所有原结构的边和面都被单元的边和面所逼近。单元的形状合理。每个单元应尽量趋近于正多边形或正多面体，不能出现面积很小的二维尖角元或体积很小的三维薄元。网格剖分有限元网格剖分应满足以下条件：单元之间不能相互重叠或11网格的密度分布合理。分析值变化梯度大的区域需要细化网格。相临单元的边界相容，不能从一个单元的边或面的内部产生另一个单元的顶点。网格剖分网格的密度分布合理。分析值变化梯度大的区域需要细化网格。相临12单元剖分单元分析、建立单元刚度方程结构整体分析、组集总体刚度方程{F}=[K]{

}数值求解节点位移:{

}=[K]-1{F}单元分析、单元刚度方程结构内任意点处的应力、应变分析有限元法解题的步骤和过程图有限元法解体操作的典型步骤实例单元剖分单元分析、结构整体分析、数值求解节点位移:{}=131.单元模型。如杆单元与梁单元，板单元与体单元。2.单元的剖分数量。如应力集中处单元剖分密度要大。3.单元插值函数的选取。开孔板网格剖分图影响有限元法计算精度的因素1.单元模型。如杆单元与梁单元，板单元与体单元。14模型化工作，就是把实际结构的力学问题化为一种能够用有限元法求解的力学模型。建立合理的力学模型是有限元法的关键。不恰当的模型化会带来失真或误差，甚至导致计算失败。好的计算模型要利用以往成功的经验，经过反复论证和必要的试验才能产生。三、有限元模型化原则模型化工作，就是把实际结构的力学问题化为一种能够用有限元法求151.结构的力学特征：抓住主要矛盾，选取合适单元2.载荷模拟

：确定载荷的性质和量值3.支承模拟

：即边界条件的确定，但较困难有限元模型化原则有限元模型化的最基本原则是：必须确保这一力学模型能够模拟实际结构的主要力学状态，并尽可能减少模拟误差。这一原则从三方面把握：1.结构的力学特征：抓住主要矛盾，选取合适单元2.载16有限元法通用软件的结构几何参数材料性能载荷边界条件前置处理有限元模型有限元分析后置处理节点位移打印清单应力值打印清单位移图形显示等参数线图形显示单元彩色变化图动态图形显示有限元模型的建立和数据输入阶段数值计算阶段结果的判读和评定阶段目前国际上已开发出一些大型通用有限元软件，如：ADINA、MSC/NASTRAN、ANALYSIS、MARK、SAP等四、有限元软件有限元法通用软件的结构几何参数材料性能载荷边界1712.2.2结构优化设计结构优化设计的思想优化设计方法的发展一、优化设计的数学模型二、优化方法三、结构优化设计软件基本概念数学模型优化方法分类飞机结构优化数学模型12.2.2结构优化设计结构优化设计的思想基本概念1812.2.2结构优化设计结构优化设计的思想：在满足规定的条件（包括强度、刚度、损伤容限、可靠性和使用寿命等）下，使结构的重量和成本尽可能低。优化设计方法的发展过去根据原准机、已有的设计经验和一些简单的分析方法进行设计现在：以现代力学和数学的数值方法理论基础，以计算机为工具，因此能够自动寻找满足设计要求的优化设计方案12.2.2结构优化设计结构优化设计的思想：在满足规定的19几个概念等式约束：设计变量必须满足的等式条件，如平衡方程、变形协调方程等，可以表示为he(X)=0(e=1,2,···,E)性状参数：描述结构响应的参数，如应力、位移、振动频率等。设计变量：结构优化设计中需要调整的结构参数，通常用n维空间向量表示，即X=(x1,x2,···,xn

)T不等式约束：对性状参数和几何参数的限制，可以表示为gj(X)≤0(j=1,2,···,J)一、结构优化设计的数学模型几个概念等式约束：设计变量必须满足的等式条件，如平衡方程、变20结构优化的数学模型求设计变量X=(x1,x2,···,xn

)T目标函数：能够反映结构最重要性能的指标，该指标是设计变量的函数，可以写为f(X)。使目标函数f(X)

Min(或Max)且满足约束条件he(X)=0(e=1,2,···,E)gj(X)≤

0(j=1,2,···,J)结构优化的数学模型结构优化的数学模型求设计变量目标函数：能够反映结构最重要性能21设计变量和优化方法分类设计变量拓扑变量包括元件、连接点及支持条件的数目及空间排列秩序。该类变量描述了结构的构造模式外形变量该类变量描述结构的几何外形，通常是节点坐标尺寸变量描述组成结构元件的截面尺寸，如杆元件的截面积、板元件的厚度等拓扑优化外形优化尺寸优化结构布局优化目前还没很好解决目前是结构优化中主要处理的问题设计变量和优化方法分类设计变量和优化方法分类设计变量拓扑变量外形变量尺22飞机结构优化的数学模型求杆的截面面积和板的厚度（设计变量）X=(x1,x2,···,xn

)T使结构重量（目标函数）且满足约束条件(1)平衡方程和变形协调方程（等式约束）(2)几何约束xi-ximax

≤

0ximin-xi

≤

0(i=1,2,···,n)

还有应力约束、位移约束、稳定性约束、动力特性约束等等。飞机结构优化的数学模型飞机结构优化的数学模型求杆的截面面积和板的厚度（设计变量）使23n个设计变量形成一个n维欧氏空间，在该空间中任意一点或向量X=(x1,x2,···,xn)T就代表一个设计方案。对于某一设计点X(0)=(x1(0),x2(0),···,xn(0))T，经过结构分析和约束判断，发现要调整，以便得到一个新的设计点X(1)=(x1(1),x2(1),···,xn(1))T，则这二个设计点的关系可以表示为X(1)=X(0)+

·S结构优化设计中，等式约束一般由结构分析处理，在结构优化设计程序中，结构分析程序是它的一个子程序。

结构优化方法本身一般只处理不等式约束条件，这些约束通常是非线性，且为隐含的形式，甚至不存在解析表达式。其中系数

称为步长，S=(s1,s2,···,sn)T称为方向向量，见图所示。二、优化方法n个设计变量形成一个n维欧氏空间，在该空间中任意一点或24如果能给定某一方向向量S

和步长

，就可对原设计方案修改，而获得一个新设计。各种不同的优化方法的本质差异在于确定S

和

的方法不同。现有的优化方法大致分成下面几类：图2-5设计迭代示意图0x1x2X(0)X(1)S优化方法如果能给定某一方向向量S和步长，就可对原设计方案修改25现有的优化方法数学规划法优化准则法神经网络法遗传算法目前已开发许多结构优化设计程序系统，如：GENESIS、ASTROS、STAR、CATIA-ELFINI、ACCESS等等。面对大型复杂的结构，现有的优化方法仍存在不足，还有待发展和完善，而且仅用数值方法很难解决结构优化设计的全部问题，还需要设计人员的分析和判断。三、结构优化设计软件现有的优化方法数学规划法优化准则法神经网络法遗传算法目前已开26总结结构有限元分析重点内容有限元素法概念有限元素法的典型步骤有限元模型化原则结构优化设计的重点内容结构优化设计的数学模型优化方法的基本思想总结结构有限元分析重点内27练习题练习题28第二讲结束退出第二讲结束退出29机翼、机身计算模型机翼、机身计算模型30全机有限元计算模型全机有限元计算模型31某无人机复合材料机翼结构

气动载荷与结构变形的耦合分析结果某无人机全复合材料机翼设计分析的结果结构形式重量（kg）尖部弯曲位移(mm)尖部扭转变形（度）梁