某型機全機靜力試驗主減假件設計

孫月寧，田中強

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

某型機全機靜力試驗主減假件設計

孫月寧，田中強

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

根據某型機全機靜力試驗采用主減假件代替真實主減的方案，建立主減假件初始外觀，提取所有結構部位尺寸作為設計變量。以假件連接點載荷相對真實主減載荷的變化百分比最小作為設計目標，先采用試驗設計(DOE)方法，對所有設計變量進行敏感性分析，找出關鍵設計參數，然后采用全局與局部優化相結合的方法，快速迭代給出了假件所有部位的最終優選尺寸，誤差結果滿足設計要求。

靜力試驗;主減;假件

0 引言

在進行機體結構強度試驗時，有時會采用假件作為考核件的配試件，假件的主要作用是傳遞和真實件相當的載荷或具有相當的剛度，以此保證強度試驗的準確性。當假件的外觀、材料與真實件基本一致時，無需對假件進行復雜的改進設計，但當假件的形貌及材料與真實件完全不同時，就要采用強度剛度等效的原則對假件進行優化設計。優化的目標是使假件相對真實件有相同的剛度或載荷傳遞能力。假件的外觀一般較規則，所以優化設計的變量一般為各組成結構的尺寸及材料彈性模量等。某型機全機靜力試驗的主減采用假件代替，假件外形要求規整，材料不限。為使假件在試驗中起到真實主減的作用，文中采用試驗設計［1］(DOE)與優化相結合的方法，提取假件關鍵設計尺寸，并建立自動優化［2］流程，快速迭代給出設計方案。

1 主減試驗設計及優化算法

直升機主減是一個外形復雜的殼體結構，與機體有四個連接點，旋翼載荷通過主減傳遞到四個連接點，進而擴散到機身結構上。

由于主減不是全機靜力試驗考核對象，且為了節約試驗成本，采用外形簡單且便于制造裝配的假件代替真實主減。建立真實主減連接有限元［3］模型(圖1)，與機體連接點標示為A、B、C、D，每個連接點傳遞三個方向的平動載荷，通過真實主減連接有限元計算模型，得到連接處的載荷值，該值作為假件設計的基準。

為研究設計變量對設計目標的影響程度，采用拉丁超立方［4］的試驗設計(DOE，Design of Experiment)方法對設計輸入輸出做敏感性分析。該方法將每個變量的設計空間都均勻地劃分開，每個變量都有同樣數目的水平分區，將這些水平隨機地組合在一起，來指定用來定義設計矩陣的N個點，保證一個變量的每個水平只被研究一次。

主減假件可設計尺寸(變量)個數D=16，取樣本水平點N=36，在空間內隨機選取不重復的樣本點進行計算。

對每個響應(設計目標)，利用最小二乘法構建一個2次多項式以擬和試驗數據。這樣會得到一系列的多項式系數。對任意兩個獨立變量X1，X2的多項式:

該式表達了設計變量與響應的關系，這種關系被稱為主效應。通過主效應可以獲得平均狀態下設計變量對響應的影響。

對該多項式求導:

定義線性主效應:

二階主效應:

交互效應:

線性主效應表明單一參數對響應的影響是線性的，二階的效應表明單一參數對響應的影響是非線性的，交互作用表明同時改變兩個參數將極大地影響響應。

對主減假件的優化采用全局與局部相結合的優化算法。先采用鄰域培植遺傳算法［5］(NCGA，Neighborhood cultivation genetic algorithm)對尺寸進行尋優設計。NCGA算法在進行交叉的時候，是在具有一定程度類似體遺傳因子信息的個體之間進行的，這種近傍交叉的方法容易在多峰性問題上得到好的結果，并且由于在目標空間里沒有重復的個體，更具有容易生成更多樣解的傾向。通過NCGA算法得到初步優化結果后，再采用下山單純形法(Downhill－Simplex)算法，該方法是一種無約束局部優化算法，其計算量小、搜索速度快，具有較強的局部搜索能力。

2 設計過程

在旋翼點分別施加Fx，Fy，Fz，Mz四個載荷工況的單位載荷，四個載荷工況下，連接點共有48個載荷值，考慮連接處機體結構支持剛度與實際傳載，有26個載荷值為設計小量，剩下的22個載荷值為主減假件設計的目標值(表1)。

主減假件由多塊金屬板焊接與螺接而成，結構分成側板、加強筋、肋、上下板件等，初步外形方案見圖2。

表1 載荷工況及載荷值

假件結構各部分厚度都作為分析的設計變量，考慮假件制造精度，設計變量采用離散變量的形式，變量變化值為1．0mm。

對設計變量矩陣進行DOE分析，結構各部分尺寸與連接點的主效應函數曲線見圖3。

根據主效應圖，主減假件所有可設計尺寸與連接點目標載荷的關系都呈現出非線性關系。分析設計變量對響應的貢獻百分比Pareto結果表明:對連接點載荷影響大的主要是主減軸、側板、肋、上蓋板的二階量。側板、加強筋、角座的一階量對X向載荷影響較大。側板與下底座的交互作用對X、Y、Z向的載荷影響較大。以上變量及變量間的交互作用對設計目標的影響都在9%左右，沒有特別突出的設計變量，所以將所有16個部位的尺寸作為優化模型設計變量。

以四個工況下的22個載荷變化百分比最小作為目標進行優化。以工況一連接點B的Z向載荷為例，擬合以側板、下底座尺寸為變量，C1_495Z_0為結果的曲面(圖4)。

根據擬合曲面分析，主減假件設計目標之一的C1_495Z_0存在多個波峰，可以認為主減假件設計模型是一個非線性多峰多目標求解問題，且所有設計變量都是離散變量，故采用NCGA全局性搜索算法。優化后的設計結果見表2。

表2中，設計目標中最大值為C1_495Z_0= 12．5%，其它都小于10%，考慮全局優化算法存在精度不足的可能，以表2中的設計變量為初始量，采用局部優化算法——下山單純形法(Downhill—Simplex)對設計目標進行二次精確優化，優化后的設計結果見表3。

表3中，所有設計目標值都小于10%，進一步提高了精度。

表2 NCGA優化后結果

表3 Downhill—Simplex優化后結果

3 結論

1)利用DOE方法能有效分析主減假件各部位尺寸對設計目標的貢獻度，進而為建立優化模型提供設計參考;2)明確主減假件優化模型特征后，采用全局與局部優化算法相結合的方法有效避免了設計目標趨于局部最優解的情況，且提高了設計目標的精度;

3)經過優化后，主減假件與真實主減傳遞載荷的誤差小于10%，能有效保證全機靜力試驗的有效性。文中的設計流程能推廣到其它結構靜力試驗假件的設計中。

［1］ 楊轉運，劉 城，潘 鑫，等．基于DOE及RSM的液力變矩器葉片數對性能的影響及優化［J］．北京理工大學學報，2012，32(7):689－693．

［2］ 馬 艷，龐永杰，范亞麗．基于iSIGHT平臺的翼型水動力優化［J］．船舶力學，2011，15(8):867－873．

［3］ 李錄賢，王鐵軍［J］．力學進展，2005(35):5．

［4］ Mckay M D，Beckman R J，Conover W．Comparison of three methods for selecting values of variables in the analysis of output from a computer［J］．Technometrics，1979，21(2):239－245．

［5］ Holland J H．Genetic algorithms［J］．Scientific American，1992，267(1):44－50．

Design of Main Gearbox Fake for Whole Helicopter Structure Static Test

SUN Yuening，TIAN Zhongqiang
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

According to the plan of main gear fake for whole helicopter structure in static test，this paper established initial surface of main gear fake and accomplished design variable by way of abstracting all structure position size。A design target was introduced on the basis of this reason that the percentage of fake’s join load was lower．Firstly，we found the key design parameter by using DOE method and analyzing all of design variable．Then，this paper combined overall situation and part optimization together，provided the last outstanding fake size of all position by celerity iterating．Finally，the design demand of deviation was contented．

static test;main gearbox;fake

V216．1;V215．1

A

1673-1220(2017)02-043-04

2016－10－09

孫月寧(1982－)，女，山東淄博人，碩士，主要研究領域為計算機輔助工程設計、應用軟件研究。