復(fù)合材料飛艇吊艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究

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

(1.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院，江蘇 南京 210016)

(2.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門 448000)

飛艇由艇囊、吊艙、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳等構(gòu)成[1]。 吊艙是飛艇載荷的主要承力結(jié)構(gòu)，在對(duì)吊艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須控制其結(jié)構(gòu)質(zhì)量，因?yàn)槊裼蔑w行器重要的性能與飛行器的質(zhì)量密切相關(guān)[2]。

利用復(fù)合材料制造的夾層結(jié)構(gòu)與帽型筋條設(shè)計(jì)吊艙，再用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對(duì)吊艙進(jìn)行優(yōu)化，能將吊艙的結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制在較低的水平。

復(fù)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(fù)合材料常見(jiàn)的兩種應(yīng)用形式，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]。

對(duì)于超出設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是一種很有價(jià)值的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，已經(jīng)在結(jié)構(gòu)工程中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化實(shí)施的難點(diǎn)在于仿真流程自動(dòng)化與優(yōu)化算法的選取。仿真流程自動(dòng)化可通過(guò)對(duì)各類軟件的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

Isight軟件內(nèi)置的Pointer-2算法是包含4種數(shù)學(xué)規(guī)劃法與2種仿生學(xué)方法的組合優(yōu)化算法，該算法在計(jì)算時(shí)自動(dòng)選擇最優(yōu)的算法進(jìn)行優(yōu)化迭代，同時(shí)具有數(shù)學(xué)規(guī)劃法與仿生學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)多類優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。

本文闡述了飛艇吊艙的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，優(yōu)化過(guò)程中截取飛艇吊艙的客艙短艙段做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先根據(jù)研究對(duì)象給出優(yōu)化問(wèn)題的定義；然后根據(jù)優(yōu)化問(wèn)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(dòng)化；最后給出優(yōu)化結(jié)果，包括優(yōu)化過(guò)程中吊艙質(zhì)量隨迭代次數(shù)的變化與優(yōu)化后仿真計(jì)算結(jié)果。

1 優(yōu)化問(wèn)題

1.1 研究對(duì)象

圖1是吊艙總體圖，飛艇吊艙的客艙段在吊艙總長(zhǎng)中占比較大，對(duì)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(duì)象。

圖1 吊艙總體圖

1.1.1吊艙客艙段模型簡(jiǎn)化

吊艙客艙段由具有相同結(jié)構(gòu)的短艙段構(gòu)成，為減少優(yōu)化計(jì)算量，本文只對(duì)客艙短艙段做結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，客艙短艙段簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

圖2 客艙短艙段簡(jiǎn)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(dòng)力忽略不計(jì)，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(jié)構(gòu)的不同位置受力不同，直接表述較為困難，可通過(guò)對(duì)吊艙施加加速度載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)慣性力載荷的施加，在有限元軟件中會(huì)將其轉(zhuǎn)化為慣性力載荷，加速度載荷的參考坐標(biāo)系如圖3所示，吊艙的加速度載荷工況見(jiàn)表1。

圖3 加速度載荷參考坐標(biāo)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(gè)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(qiáng)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(qiáng)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(zhǔn)則

因客艙短艙段主要為薄壁構(gòu)件，所以設(shè)計(jì)時(shí)需確保結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。屈曲分析結(jié)果中的一階特征值小于1代表結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，為避免發(fā)生結(jié)構(gòu)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(qiáng)度準(zhǔn)則

1.2 優(yōu)化問(wèn)題定義

優(yōu)化問(wèn)題包含設(shè)計(jì)變量、約束條件、優(yōu)化目標(biāo)。客艙短艙段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量見(jiàn)表 7。

表7 客艙短艙段設(shè)計(jì)變量

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

優(yōu)化目標(biāo)：客艙短艙段的結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小。

2 優(yōu)化建模

2.1 優(yōu)化思路

吊艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行有限元分析計(jì)算量大，因此選用成熟的商業(yè)軟件對(duì)客艙短艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模、有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化：首先對(duì)CATIA、Hypermesh、ABAQUS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)有限元仿真的流程自動(dòng)化，然后在Isight中集成整個(gè)流程，最后選用合適的優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到滿足設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化結(jié)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(nèi)置優(yōu)化算法Pointer-2作為客艙短艙段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，該算法屬于數(shù)學(xué)規(guī)劃法與仿生學(xué)算法的組合算法，對(duì)不同類型的設(shè)計(jì)空間適用性強(qiáng)，可解決單次計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題。本文的優(yōu)化問(wèn)題計(jì)算一次需要5 min左右，屬于單次計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，因此選用該算法。

2.3 仿真建模及流程自動(dòng)化

2.3.1有限元建模

為評(píng)估客艙短艙段結(jié)構(gòu)的剛度特性及強(qiáng)度特性，利用ABAQUS對(duì)其分別做特征值屈曲分析以及靜力分析，在有限元建模時(shí)對(duì)客艙短艙段的部件進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，見(jiàn)表 8。

表8 有限元簡(jiǎn)化方式

分析時(shí)約束吊艙與艇身連接接頭的6個(gè)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?cái)嗝姹３质芰Γ瑢⑶敖財(cái)嗝嫣幍拿總€(gè)節(jié)點(diǎn)與后截?cái)嗝鎸?duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自由度處用ABAQUS中的Tie單元耦合，從而將前截?cái)嗝娴氖芰鬟f至后截?cái)嗝妫邢拊＝Y(jié)果如圖 5所示。

圖5 有限元建模結(jié)果

2.3.2三維建模自動(dòng)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(wèn)題中的設(shè)計(jì)變量。在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)行自研的程序可自動(dòng)更新整個(gè)CATIA模型。

2.3.3前處理自動(dòng)化

運(yùn)行自研的Hypermesh 自動(dòng)化程序能夠?qū)η笆鯟ATIA模型完成有限元前處理自動(dòng)化。有限元前處理自動(dòng)化流程如圖6所示。

圖6 有限元前處理自動(dòng)化流程

2.3.4仿真計(jì)算自動(dòng)化

自研的ABAQUS自動(dòng)化程序能夠自動(dòng)完成有限元計(jì)算，有限元仿真自動(dòng)化流程如圖 7所示。

圖7 有限元仿真自動(dòng)化流程

2.4 Isight建模

客艙短艙段的優(yōu)化問(wèn)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(jìn)行優(yōu)化，圖 8為Isight的優(yōu)化建模結(jié)果。

圖8 優(yōu)化建模結(jié)果

流程組件Exploration內(nèi)置Pointer-2算法，負(fù)責(zé)啟動(dòng)自動(dòng)化仿真流程進(jìn)行評(píng)估設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果完成優(yōu)化計(jì)算，Excel組件負(fù)責(zé)更新客艙短艙段的設(shè)計(jì)變量，3個(gè)Simcode組件(GoCatia、GoHypermesh、GoAbaqus)分別集成CATIA、Hypermesh、ABAQUS實(shí)現(xiàn)自動(dòng)三維建模、自動(dòng)前處理、自動(dòng)仿真計(jì)算。

3 優(yōu)化結(jié)果

圖9為優(yōu)化過(guò)程中客艙短艙段質(zhì)量變化，可以看出，客艙短艙段的結(jié)構(gòu)初始質(zhì)量為27.1 kg，一開(kāi)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(zhì)量變化

優(yōu)化后設(shè)計(jì)點(diǎn)尺寸參數(shù)及截面厚度參數(shù)見(jiàn)表 9、表 10。

表10 優(yōu)化后設(shè)計(jì)點(diǎn)截面厚度參數(shù) mm

表9 優(yōu)化后設(shè)計(jì)點(diǎn)尺寸參數(shù)

優(yōu)化后Hashin失效準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果與屈曲分析結(jié)果見(jiàn)表 11和表 12。

表11 優(yōu)化后Hashin失效準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果

表12 優(yōu)化后屈曲分析結(jié)果

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

圖10 工況2屈曲計(jì)算結(jié)果

由圖 10可以看出，客艙短艙段初期結(jié)構(gòu)失穩(wěn)主要發(fā)生在地板上，因此后續(xù)優(yōu)化可對(duì)地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，以提高地板的結(jié)構(gòu)承載能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了飛艇吊艙的客艙短艙段的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，采用Isight內(nèi)置算法Pointer-2作為優(yōu)化算法，在保證結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，使客艙短艙段質(zhì)量由27.1 kg減少到23.5 kg，減少了13%。

雖然該結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程對(duì)客艙短艙段的減重明顯，但是優(yōu)化后采用Hashin失效準(zhǔn)則計(jì)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(gè)工況大于2)與許用值(1.5)相比也還有較大的余量，說(shuō)明最終的優(yōu)化結(jié)果還有較大的優(yōu)化空間。

本文采用4種數(shù)學(xué)規(guī)劃法與2種仿生學(xué)算法的組合算法Pointer-2進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，下一步將繼續(xù)研究?jī)?yōu)化準(zhǔn)則法在飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用。