基于HyperMesh二次開發的飛行器尾翼復合材料建模和優化分析

劉劍霄　李斌　杜沖

（中國兵器裝備集團公司 長沙機電產品研究開發中心， 長沙410100）

摘要： 為解決飛行器尾翼復合材料結構建模復雜、優化工況繁瑣等問題，利用HyperMesh二次開發技術開發尾翼復合材料建模優化分析系統.介紹該系統相關二次開發技術以及復合材料建模優化分析技術，并給出應用實例.通過該系統可自動建模，自動提交多階段優化求解和出具結果報告，極大提高尾翼復合材料建模優化分析效率.

關鍵詞： 飛行器； 尾翼； 復合材料優化； 自由尺寸優化； 鋪層優化； 自動建模； Tcl/Tk

中圖分類號： V215.21； TB115.1文獻標志碼： B

Modeling and optimization analysis on aircraft empennage

composite based on secondary development of HyperMesh

LIU Jianxiao， LI Bin， DU Chong

（Changsha Electromechanical Product Research and Development Center， China South

Industries Group Corporation， Changsha 410100， China）

Abstract： To solve the problems of complex structure modeling and complicated optimization cases of aircraft empennage composite， an empennage composite modeling and optimization analysis system is developed using the HyperMesh secondary development technique. An application example is given to introduce the relevant secondary development technique and composite modeling and optimization analysis technique. The automatic modeling， mutistage job submission and result reporting can be implemented by the system. It also greatly improve the efficiency of modeling and optimization analysis of empennage composite.

Key words： aircraft； empennage； composite optimization； free size optimization； shuffling optimization； automatic modeling； Tcl/Tk

收稿日期： 2015[KG*9〗11[KG*9〗17修回日期： 2016[KG*9〗01[KG*9〗05

作者簡介： 劉劍霄（1983—），男，湖南新化縣人，高級工程師，碩士，研究方向為空地武器翼面結構綜合優化，（Email） neu_liujx@126.com0引言

隨著材料學科的發展，人們發現復合材料具有比重小、比強度和比模量大、抗疲勞、耐腐蝕、力學性能可設計，以及易于整體成型加工等特點，非常適合于各種飛行器的制造要求.[14]波音787和空客A350上的復合材料用量就分別達到61%和53%，復合材料的相關優化設計方法和軟件也越來越受到人們的重視.

HyperMesh作為一款先進的有限元網格前處理軟件，提供專門針對復合材料建模的模塊HyperLaminate和復合材料鋪層定義方式ply+stack.這些模塊和功能在很大程度上提高復合材料的建模效率[5]，但是對于一些特殊應用，相關用戶仍希望能實現更快的建模速度，最好能一鍵自動生成而無須手動操作.另外，對一些飛行器的復合材料結構，如尾翼等，截面形狀比較復雜，一般不能直接在HyperMesh中創建或是創建過程極其繁瑣，經常要先在其他CAD軟件中建立模型然后再導入到HyperMesh中劃分網格.劃分好網格后需要設置復合材料鋪層，鋪層設置需要考慮單元法向方向、材料方向、鋪層數量和優化方案，而優化方案的不同又會影響到鋪層方式和鋪層數量的不同.因此，即便工程師能熟練操作軟件，熟悉優化方法和相關流程，從建模、優化求解到獲得具體結果報告仍然需要耗費相當大的工作量，且工序繁多會增大人工失誤率.

本文針對整個尾翼優化時流程復雜、效率低等問題，運用HyperMesh二次開發技術完成尾翼建模優化分析系統.應用該系統可以對尾翼進行參數化自動建模、自動鋪層、自動設置優化參數提交求解并自動出具優化結果報告，可在很大程度上減少人工操作，既提高優化流程效率，又降低人為失誤導致的偏差.

1HyperMesh二次開發介紹

HyperMesh軟件自身有一部分是采用Tcl/Tk開發的，其內部嵌入Tcl解釋器，能夠支持Tcl/Tk的相關程序，因此可以對其進行一些基于Tcl/Tk程序的二次開發.Tcl是一種基于字符串的命令語言，由一個解釋器定義和解析，無須編譯，對每條語句順序解釋執行，語法和結構都非常簡單，容易學習和掌握.Tk是圖形工具包，可以創建一些基本圖形組件，并通過這些組件觸發相應命令函數并完成對應功能.[6]

HyperMesh二次開發主要通過調用其API程序接口的函數命令實現內部模型數據創建和查詢等操作.在HyperMesh中進行的一系列操作大多有對應的命令，可以將這些命令轉換為Tcl代碼，然后把代碼中的一些固定的硬碼改成變量參數形式，通過調用含參數的進程實現不同參數值的特定功能.[79]實現方法一般有以下幾種：一是直接在菜單欄File下點擊Run Tcl/Tk Script，選擇對應的Tcl代碼執行，或者直接在命令欄中輸入source查找代碼路徑；二是通過修改安裝目錄下的userpage.mac文件，在Utility下的User區域增加按鈕，通過這些按鈕觸發相應的Tcl代碼；另外，還可以運用Process Studio進行流程定制開發.這些方法較常見，也較容易實現，但是不夠靈活方便，要么把代碼寫死，要么需要在彈出框中再做一些控件，操作中需要反復移動彈出框，既影響美觀又不方便.

本文運用稍復雜的二次開發技術，開發更加簡單方便的用戶功能和操作界面.首先通過相關API函數命令hm_framework在HyperMesh的菜單欄增加模塊入口選項，通過該選項對應的hm_framework相關命令激發新的tab頁面，然后在該tab頁面內創建相應的功能模塊.調用HyperMesh相關HWTK，HWT和HW GUI Toolkit的命令創建相應輸入框、圖標、按鈕和選項等功能組件，將這些功能組件與相應的Tcl代碼關聯.這些代碼代表相應的建?；騼灮僮髅?，所以通過點擊這些組件可自動完成代碼對應的建模或優化操作.

將開發好的代碼打包成安裝程序，在任意一臺安裝有HyperWorks軟件的Windows系統上安裝該程序并生成一個“尾翼優化”桌面圖標，雙擊該圖標即可打開已添加“尾翼建模優化分析”的菜單選項的HyperMesh軟件，見圖1.點擊“尾翼建模優化分析”的菜單選項，即可在tab頁面區域彈出“尾翼優化”的功能模塊，見圖2（圖中默認參數已被抹掉）.整個尾翼優化流程都嵌入到該單獨的tab頁面中.該流程模塊又分為4個子模塊，在已確認參數的情況下，僅需點擊每個子模塊，即整個優化分析流程總共點擊4個執行按鈕便可完成，簡潔、方便且高效.

2HyperMesh復合材料優化技術

HyperMesh提供一整套復合材料建模和優化求解方法.復合材料建模比較復雜，關鍵在于復合材料的鋪層定義.HyperMesh提供3種復合材料鋪層定義形式：PCOMP，PCOMPG和PCOMPP.PCOMP按次序直接定義鋪層；PCOMPG按全局鋪層編號定義鋪層，從而區分相鄰區域中不同鋪層間的對應關系.這2種定義方式都不能將鋪層以三維形式顯示出來.PCOMPP以ply形式分別定義每一鋪層并以3D形式顯示出來，所以本文采用這種方式定義鋪層.圖 2尾翼建模模塊

Fig.2Empennage modeling module

關于復合材料的優化求解，HyperMesh及其求解器OptiStruct提供一種三階段連續優化求解方法：自由尺寸優化、鋪層尺寸優化和鋪層次序優化.該三階段優化方法依次關聯，后一種優化需要基于前一種優化生成的fem文件才能繼續.

自由尺寸優化階段將每一方向鋪層分成4層（默認層數，可以更改），例如，可設置0°，45°，90°，-45°等4個方向鋪層，每個方向鋪層劃分成4層后即為16層.自由尺寸優化結果使這16層所包含的單元區域不同，從而使得這16層疊加起來顯示出厚薄不同的優化效果，其間需要滿足相關制造約束條件，例如：設置最小鋪層厚度，45°和-45°鋪層厚度一致，鋪層厚度不應小于該方向鋪層總厚度的10%等.

鋪層尺寸優化則以自由尺寸優化的結果為基礎，對每一方向上的每一鋪層厚度進行優化，其間，需要給定鋪層厚度的最大值和最小值約束，通過優化得到每一鋪層厚度的最優值.

鋪層次序優化是在鋪層尺寸優化結果的基礎上對鋪層的排列次序進行優化.設定最大連續鋪層數量，一般還要設置45°和-45°鋪層的平衡約束，即45°和-45°鋪層總是相鄰的.

約束設置和優化目標設置.在本文的優化設計中，設計變量為板屬性或鋪層厚度，所以約束為體積分數約束或應力約束，目標為柔度最小.

通過三階段優化方法最終得到一個總體來看厚薄不均、有著最優排序的復合材料鋪層優化結果.三階段連續的復合材料優化方法在HyperMesh中并不是必需的，也可以單獨進行.比如，不想造成板厚薄不均的優化效果，可以只選擇鋪層尺寸優化和鋪層次序優化，從而僅優化每個鋪層厚度和鋪層次序，或僅執行鋪層次序優化從而保證每一鋪層厚度不變，僅優化鋪層次序.

3尾翼復合材料建模優化分析系統

3.1優化流程及其模塊介紹

尾翼復合材料建模優化分析系統利用HyperMesh二次開發技術，依據實際需求將整個尾翼建模優化流程操作簡化到4個子模塊中進行.這4個子模塊分別為“尾翼建?！薄斑吔缂虞d”“優化分析”和“生成報告”，分別完成創建尾翼有限元模型、邊界條件加載、提交優化求解和依據優化結果自動生成word報告等4項功能.

尾翼的截面形狀比較復雜，不容易在HyperMesh中直接創建，需要從外部導入輪廓點數據或是導入幾何模型生成尾翼.在“尾翼建?！蹦K，首先設置“導入翼型截面參數表”選項選擇輪廓點數據或幾何輪廓線模型，通過該選項自動定義整個尾翼輪廓形狀并自動創建.另外，根據設計方案不同，還設置一些可變參數，如翼墻位置定義、翼墻和蒙皮的材料參數等，所有這些參數都預先給出默認值，最后給出優化方案選擇項，默認為三階段優化，如果不想改變板厚和層數則可選擇僅鋪層優化方案.點擊“Create”便可自動創建尾翼模型.

“邊界加載”模塊提供2種方式加載：一種是默認邊界條件的自動加載，只需要點擊一個按鈕，所有邊界條件都按照預先默認情況加載好；另一種是手動選擇相應節點施加約束和外力.

“優化分析”和“生成報告”模塊都設計得非常簡潔，均只有一個按鈕，所有操作都由程序后臺執行，自動完成優化求解和生成報告.

3.2應用實例

以默認參數值為例，給出一個應用實例操作.

通過菜單欄選項“尾翼建模優化分析”進入到tab頁面的“尾翼建?！蹦K，保持默認參數值，優化類型則默認為三階段復合材料優化，直接點擊“Create”按鈕，可以看到在圖形顯示區域已自動創建整個尾翼模型，見圖3.切換到“邊界加載”模塊，直接點擊“自動加邊界條件”內的“Create”按鈕（見圖4，相關參數已被抹掉），便可自動加載尾翼模型的邊界條件.圖 3尾翼模型切換到“優化分析”模塊（見圖5），直接點擊“提交”，立即彈出OptiStruct的求解狀態欄，顯示優化求解的進程和相關信息.

圖 5優化分析模塊

Fig.5Optimization module

如果在“尾翼建?！蹦K選擇的是三階段優化，這里會自動以三階段優化求解，每一階段優化計算完成后會自動清除模型，然后自動導入這一階段生成的fem文件，接著自動更改該文件的優化設置參數并進行下一輪優化，一直到3個階段都優化計算完.若在“尾翼建?！蹦K里選擇“僅鋪層優化”，這里則會自動按照僅鋪層優化提交求解.

優化求解計算完成后便可切換到“生成報告”模塊（見圖6），直接點擊“Run HyperView”，程序自動調用HyperView，自動導入計算結果進行截圖和提取數據，最后自動生成word格式的結果報告并顯示（見圖7），內容包括整個優化的位移和應力云圖及鋪層優化等結果.

圖 6生成報告模塊

Fig.6Report generation module

圖 7Word格式結果報告

Fig.7Result report in Word format

通過該應用實例可以看出：按照默認設計參數，除切換模塊外，每個模塊實際只需要點擊1次按鈕，4個模塊總共點擊4次即可完成整個建模優化求解并生成報告的流程，簡潔高效.

4結束語

闡述基于HyperMesh的二次開發技術以及HyperMesh的復合材料相關建模優化方法，通過對尾翼復合材料建模優化分析系統的定制化開發，大大簡化尾翼的建模、優化求解和結果報告后處理過程，實現整個優化流程的規范化、程序化，極大提升尾翼優化分析效率.參考文獻：

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（編輯于杰）