復合材料飛艇吊艙結構優(yōu)化方法研究

陳云海，王芳麗，何 巍，朱 強，熊 偉，張桂嘉，楊 春，金禹彤，白樹偉，童明波

(1.南京航空航天大學航空學院，江蘇 南京 210016)

(2.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448000)

飛艇由艇囊、吊艙、發(fā)動機和螺旋槳等構成[1]。 吊艙是飛艇載荷的主要承力結構，在對吊艙進行結構設計時，必須控制其結構質量，因為民用飛行器重要的性能與飛行器的質量密切相關[2]。

利用復合材料制造的夾層結構與帽型筋條設計吊艙，再用結構優(yōu)化技術對吊艙進行優(yōu)化，能將吊艙的結構質量控制在較低的水平。

復合材料與泡沫材料搭配制造成的泡沫夾層與泡沫帽型筋條是復合材料常見的兩種應用形式，在航空航天領域應用廣泛[3]。

對于超出設計者經(jīng)驗的大型復雜結構，結構參數(shù)優(yōu)化是一種很有價值的結構設計思路，已經(jīng)在結構工程中得到了廣泛的應用[4]。結構參數(shù)優(yōu)化實施的難點在于仿真流程自動化與優(yōu)化算法的選取。仿真流程自動化可通過對各類軟件的二次開發(fā)實現(xiàn)。

Isight軟件內置的Pointer-2算法是包含4種數(shù)學規(guī)劃法與2種仿生學方法的組合優(yōu)化算法，該算法在計算時自動選擇最優(yōu)的算法進行優(yōu)化迭代，同時具有數(shù)學規(guī)劃法與仿生學方法的優(yōu)點，可對多類優(yōu)化問題進行優(yōu)化。

本文闡述了飛艇吊艙的結構優(yōu)化設計過程，優(yōu)化過程中截取飛艇吊艙的客艙短艙段做結構優(yōu)化，首先根據(jù)研究對象給出優(yōu)化問題的定義；然后根據(jù)優(yōu)化問題完成優(yōu)化建模，包括優(yōu)化算法的選取與仿真流程自動化；最后給出優(yōu)化結果，包括優(yōu)化過程中吊艙質量隨迭代次數(shù)的變化與優(yōu)化后仿真計算結果。

1 優(yōu)化問題

1.1 研究對象

圖1是吊艙總體圖，飛艇吊艙的客艙段在吊艙總長中占比較大，對該段優(yōu)化能獲得較大的減重收益，因此選擇客艙段作為研究對象。

圖1 吊艙總體圖

1.1.1吊艙客艙段模型簡化

吊艙客艙段由具有相同結構的短艙段構成，為減少優(yōu)化計算量，本文只對客艙短艙段做結構優(yōu)化設計，客艙短艙段簡化圖如圖2所示。

圖2 客艙短艙段簡化圖

1.1.2吊艙載荷

飛艇的飛行速度較低，吊艙所受的氣動力忽略不計，因此只考慮吊艙受到的慣性力載荷作用，慣性力載荷為分布載荷，結構的不同位置受力不同，直接表述較為困難，可通過對吊艙施加加速度載荷來實現(xiàn)慣性力載荷的施加，在有限元軟件中會將其轉化為慣性力載荷，加速度載荷的參考坐標系如圖3所示，吊艙的加速度載荷工況見表1。

圖3 加速度載荷參考坐標系

表1 吊艙加速度載荷工況表

1.1.3材料參數(shù)

本文選用3種材料作為吊艙的材料，分別為碳纖維織物單層板、碳纖維單向帶單層板、聚苯乙烯擠塑泡沫板。表2～表6為各個材料的材料參數(shù)。

表2 碳纖維織物單層板材料屬性

表3 碳纖維織物單層板強度屬性 GPa

表4 碳纖維單向帶單層板材料屬性

表5 碳纖維單向帶強度屬性 GPa

表6 聚苯乙烯擠塑泡沫板材料屬性

1.1.4剛度準則

因客艙短艙段主要為薄壁構件，所以設計時需確保結構不會發(fā)生失穩(wěn)。屈曲分析結果中的一階特征值小于1代表結構會發(fā)生失穩(wěn)，為避免發(fā)生結構失穩(wěn)，考慮1.5[5]的安全系數(shù)后，要求各工況一階特征值大于1.5。

1.1.5強度準則

1.2 優(yōu)化問題定義

優(yōu)化問題包含設計變量、約束條件、優(yōu)化目標。客艙短艙段結構的設計變量見表 7。

表7 客艙短艙段設計變量

約束條件：一階屈曲特征值大于1.5，Hashin失效準則各失效系數(shù)小于0.66。

優(yōu)化目標：客艙短艙段的結構質量最小。

2 優(yōu)化建模

2.1 優(yōu)化思路

吊艙結構復雜，對其進行有限元分析計算量大，因此選用成熟的商業(yè)軟件對客艙短艙段結構進行三維建模、有限元分析及結構優(yōu)化：首先對CATIA、Hypermesh、ABAQUS進行二次開發(fā)，實現(xiàn)有限元仿真的流程自動化，然后在Isight中集成整個流程，最后選用合適的優(yōu)化算法進行優(yōu)化計算，得到滿足設計要求的優(yōu)化結果，優(yōu)化流程圖如圖 4所示。

圖4 優(yōu)化流程圖

2.2 優(yōu)化算法

本文選取Isight的內置優(yōu)化算法Pointer-2作為客艙短艙段的結構優(yōu)化算法，該算法屬于數(shù)學規(guī)劃法與仿生學算法的組合算法，對不同類型的設計空間適用性強，可解決單次計算耗時較長的問題。本文的優(yōu)化問題計算一次需要5 min左右，屬于單次計算時間較長的問題，因此選用該算法。

2.3 仿真建模及流程自動化

2.3.1有限元建模

為評估客艙短艙段結構的剛度特性及強度特性，利用ABAQUS對其分別做特征值屈曲分析以及靜力分析，在有限元建模時對客艙短艙段的部件進行一定的簡化，見表 8。

表8 有限元簡化方式

分析時約束吊艙與艇身連接接頭的6個自由度，客艙短艙端的載重直接施加在地板上。為了使客艙短艙段從吊艙截取后前后截斷面保持受力，將前截斷面處的每個節(jié)點與后截斷面對應節(jié)點的自由度處用ABAQUS中的Tie單元耦合，從而將前截斷面的受力傳遞至后截斷面，有限元建模結果如圖 5所示。

圖5 有限元建模結果

2.3.2三維建模自動化

建立客艙短艙段的CATIA殼單元的參數(shù)化模型，其中的參數(shù)即為上述優(yōu)化問題中的設計變量。在參數(shù)化模型的基礎上，運行自研的程序可自動更新整個CATIA模型。

2.3.3前處理自動化

運行自研的Hypermesh 自動化程序能夠對前述CATIA模型完成有限元前處理自動化。有限元前處理自動化流程如圖6所示。

圖6 有限元前處理自動化流程

2.3.4仿真計算自動化

自研的ABAQUS自動化程序能夠自動完成有限元計算，有限元仿真自動化流程如圖 7所示。

圖7 有限元仿真自動化流程

2.4 Isight建模

客艙短艙段的優(yōu)化問題屬于參數(shù)優(yōu)化范疇，因此可用參數(shù)優(yōu)化軟件Isight進行優(yōu)化，圖 8為Isight的優(yōu)化建模結果。

圖8 優(yōu)化建模結果

流程組件Exploration內置Pointer-2算法，負責啟動自動化仿真流程進行評估設計方案，并根據(jù)評估結果完成優(yōu)化計算，Excel組件負責更新客艙短艙段的設計變量，3個Simcode組件(GoCatia、GoHypermesh、GoAbaqus)分別集成CATIA、Hypermesh、ABAQUS實現(xiàn)自動三維建模、自動前處理、自動仿真計算。

3 優(yōu)化結果

圖9為優(yōu)化過程中客艙短艙段質量變化，可以看出，客艙短艙段的結構初始質量為27.1 kg，一開始是緩慢下降，然后加速下降，最后平緩下降到最終值23.5 kg。

圖9 客艙短艙段質量變化

優(yōu)化后設計點尺寸參數(shù)及截面厚度參數(shù)見表 9、表 10。

表10 優(yōu)化后設計點截面厚度參數(shù) mm

表9 優(yōu)化后設計點尺寸參數(shù)

優(yōu)化后Hashin失效準則計算結果與屈曲分析結果見表 11和表 12。

表11 優(yōu)化后Hashin失效準則計算結果

表12 優(yōu)化后屈曲分析結果

由表可知，各工況均滿足設計要求，其中工況2屈曲分析結果接近許用值，說明在該工況下客艙短艙段最易發(fā)生破壞，其屈曲計算結果如圖10所示。

圖10 工況2屈曲計算結果

由圖 10可以看出，客艙短艙段初期結構失穩(wěn)主要發(fā)生在地板上，因此后續(xù)優(yōu)化可對地板結構進行重點設計，以提高地板的結構承載能力。

4 結束語

本文介紹了飛艇吊艙的客艙短艙段的優(yōu)化設計過程，采用Isight內置算法Pointer-2作為優(yōu)化算法，在保證結構性能的基礎上，使客艙短艙段質量由27.1 kg減少到23.5 kg，減少了13%。

雖然該結構優(yōu)化過程對客艙短艙段的減重明顯，但是優(yōu)化后采用Hashin失效準則計算的失效系數(shù)(最大0.50)與許用值(0.66)相比還有較大的余量，大部分工況的一階屈曲特征值(有3個工況大于2)與許用值(1.5)相比也還有較大的余量，說明最終的優(yōu)化結果還有較大的優(yōu)化空間。

本文采用4種數(shù)學規(guī)劃法與2種仿生學算法的組合算法Pointer-2進行結構優(yōu)化，下一步將繼續(xù)研究優(yōu)化準則法在飛行器結構優(yōu)化中的應用。