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1、复合材料优化技术在无人机结 构设计中的应用 常 亮 中国飞机强度研究所 2015-05-29 目 次 复合材料分析的关键问题复合材料分析的关键问题 复合材料优化设计的关键问题复合材料优化设计的关键问题 单位简介单位简介 复合材料优化设计技术复合材料优化设计技术 典型应用典型应用 1 1 单位简介单位简介 长安长安高冠景区高冠景区 西安西安雁塔区雁塔区 阎良阎良国家航空城国家航空城 耀州苏家店 上海浦东新区 中国飞机强度研究所（623所）是 我国唯一的飞机强度研究中心和地面 强度鉴定与验证试验研究机构，具有 代表国家对新研与改型飞机给出首飞 前强度结论的职能。 强度所目前形成阎良、耀州、长 安为
2、试验基地的“四地五点”运转格 局。 飞行器强度问题的解决者； 飞行器强度新技术的创造者； 飞行器强度设计工具的提供者 ； 飞行器型号地面验证和鉴定者 。 一、单位简介 强度所介绍强度所介绍 计算结构技术与仿真中心，负责计算结 构力学技术研究与CAE软件研发等工作。近 年来，先后承担了国防基础科研、863、集 团创新基金、空装、总装等多项研究任务。 参与了多个重点型号的结构优化、强度分析 及虚拟试验等工作，为型号研制提供了重要 的技术支持。 中心长期坚持自主创新，多次获国家级 、省部级科技进步奖，在国内外各类期刊发 表科技论文40余篇，其中EI检索8篇，申请 发明专利16项，软件著作权15项，取
3、得了显 著的社会和经济效益。 一、单位简介 计算结构技术与仿真中心（十室）计算结构技术与仿真中心（十室） 2 2 复合材料分析的关键复合材料分析的关键 问题问题 复合材料结构分析的特殊性表现在以下方面： 复合材料结构静强度、稳定性设计分析技术 复合材料连接结构失效载荷评估 复合材料新型结构设计与分析技术 关键问题关键问题 复合材料分析的关键问题 静强度静强度 稳定性稳定性 连接连接 尽管复合材料结构的分析方法已经取得了重要的进展，但是，由于 复合材料破坏机理的多样性和复杂性，对其结构的失效模式、剩余强度 等的可靠预测仍然存在很多问题。目前所采用的结构设计和分析方法往 往依赖经验，细节设计的方法
4、和手段更是缺乏。 试验件示意图 有限元模型 多钉连接结构失效载荷评估 复合材料分析的关键问题 新型结构分析新型结构分析 为了在主承力构件上应用复合材料实现减重和全寿命低成本的设计目标，必 将采用适合于主承力构件特点的新型结构，如厚蒙皮翼面结构、双向加筋结构、 波纹腹板结构等等。为实现这些结构形式在主承力构件上的应用，必须首先突破 其设计与分析技术。 复合材料分析的关键问题 3 3 复合材料优化设计的复合材料优化设计的 关键问题关键问题 在复合材料结构设计中需要解决以下几个关键问题： 大规模设计变量 超大规模设计约束（最主要是稳定性问题） 多学科综合（柔度大，气动/结构耦合问题突出） 复合材料优
5、化设计的工艺实现 气动弹性剪裁（翼面结构） 关键问题关键问题 复合材料优化设计的关键问题 大变量多约束大变量多约束 各个学科的设计自由度与设计准则的数量均呈爆炸型增长。 设计自由度 结构参数、外形参数、控制参数； 复合材料单层厚度、铺层顺序、角度。 设计准则 强度、刚度要求； 稳定性要求； 重量要求； 疲劳、耐久性要求； 损伤容限要求； 工艺性要求； 适航性要求； 低成本设计要求。 复合材料优化设计的关键问题 需要同时考虑在飞机结构分析和优化过程中所涉及到的各个学科 多学科多学科 复合材料优化设计的关键问题 优化 优化变量 优化目标 优化约束 热强度 热应力分析 热传导分析 气动加热 疲劳/损
6、伤容限 疲劳寿命 疲劳可靠性 损伤容限特性 载荷 按规范生成载荷 CFD计算载荷 吹风数据修正 气动弹性 颤振 翼面反效 抖振 静强度 应力分析 稳定性 刚度 破坏准则 工艺性工艺性 复合材料典型结构,其成型工艺 有多种； 因此设计结果需要考虑成型工 艺性、模具设计与制造方便性 及制造成本等方面。 复合材料优化设计的关键问题 主刚轴为位置对气弹有着重要影响 减少攻角 增加攻角 来流方向 原始刚轴 位置 参考轴 减少机动阻力 减少机动载荷 防止发散 外洗 内洗 防止颤振 有利操纵效 率 有利升力效 率 气动弹性剪裁气动弹性剪裁 复合材料优化设计的关键问题 小结小结 复合材料优化设计的关键问题 大
7、规模设计变量 超大规模设计约束 多学科综合 复合材料优化设计的工艺实现 气动弹性剪裁 4 4 复合材料优化设计技复合材料优化设计技 术术 复合材料无人机优化设计 新机研制中结构设计工作一般要经过方案论证与概念设计、初步设计 、详细设计、 试制与试验、试飞与设计定型等几个阶段。 设计方法和工具必须与飞机设计的流程、规范紧密结合，否则没有应 用价值！ 飞机设计流程简介飞机设计流程简介 HAJIF HAJIF软件介绍软件介绍 复合材料无人机优化设计 航空结构强度分析与优化设计软件系统 （HAJIF2013）是中航工业强度所研制推出 的国内航空界功能最为全面的大型CAE软件 系统，以强度试验数据库为支
8、撑，提供飞行 器结构静强度、动强度、热强度、气动弹性 、结构优化设计等基本求解功能，以及飞机 结构细节强度校核、耐久性等特色分析功能 。系统还提供可满足用户特殊需求的开放式 定制环境，并设计有与多种主流CAE软件的 接口，具备独立的前后置处理功能。 优化设计技术优化设计技术 复合材料无人机优化设计 飞机设计中对优化设计的两个基本要求： 工程化：优化结果的可用性要好，不同设计阶段的变量、优化目标 、对结果保真度要求不同。飞机是设计出来的，不是优化出来的， 大量的工程设计经验无法进行数值表达。 流程化：飞机作为工业化程度很高的产品，设计的质量必须靠严格 的流程保证，而非个人的能力发挥，这就要求飞机
9、设计中实现基于 工具的流程化。 优化设计模块提供了满应力优化、规划法优化及敏度求解功能，对飞行器设 计全周期提供多层次的优化能力，适用于不同工程设计阶段。 多层次优化能力 翼面多约束优化设计 （ 静、动、颤、弹） 加筋板的稳定性优化设计 全机FSD 多层次优化多层次优化 复合材料无人机优化设计 适合于全机、翼面、机身等不同结构，适用于飞机初步设计和详细设计阶段 的结构方案设计和性能评估。给出满足结构静强度约束条件(应力、应变、屈曲) 的总体尺寸分布与铺层。 杆/梁面积、板厚、复材分层厚度为设计变量； 金属材料采用应力比、复合材料采用应变比进行满应力/满应变设计 ； 方法实用高效，只需有限步迭代
10、即可收敛。 （关键点：划分设计区 、给定结构许用值、确定上下限、运用松弛系数等）。 复合材料无人机优化设计 准则法优化设计技术准则法优化设计技术 由用户指定关键元，系统自动查找对应的设计区，由分析模型生成优 化模型速度非常快； 按元设计模块； 部件重量计算功能。 设计区与关键元 部件重量计算 复合材料无人机优化设计 准则法优化设计技术准则法优化设计技术 复合材料综合设计 采用经典层压板理论，同时考虑板的拉 压与弯曲的综合效应 用应变比进行层压板一级优化 按应变能原理进行分层二级优化 将优化结果分到单层 复合材料无人机优化设计 准则法优化设计技术准则法优化设计技术 多种FSD计算公式，适于翼机、
11、机身等不同结构； 复材铺层比例约束； 复合材料均衡/非均衡设计； 邻近区域厚度变化约束(展、弦)。 复合材料铺层比例控制 复合材料无人机优化设计 准则法优化设计技术准则法优化设计技术 显式近似优化模型 采用直接线性近似、逆线性近似、保守线性近似等函数级数展开方法构建显式近似 优化模型，在约束处理上采用约束泛化、约束筛选等方法，只选取有效的约束来构建近 似优化模型，有效地减少了计算量。 基于近似模型的优化设计 复合材料无人机优化设计 规划法优化设计技术规划法优化设计技术 以杆/梁元剖面积、板元厚度、复合材 料结构的分层厚度作为设计变量，以重量最 小作为设计目标。 静：广义位移（位移和扭角） 动：
12、自振频率 颤：颤振速度 弹：翼面效率、发散速压 复合材料无人机优化设计 规划法优化设计技术规划法优化设计技术 敏度分析：采用解析法求解结构响应对设计变量的导数，克服了“差分法” 求导的缺陷，使解题精度与计算效率完美结合在一起。 位移导数： 自振频率导数： 颤振速度导数： 翼面效率导数： 发散速度导数： 复合材料无人机优化设计 规划法优化设计技术规划法优化设计技术 复合材料无人机优化设计 气动气动/ /结构耦合优化设计结构耦合优化设计 飞机空气动力CFD计算、以及与结构分析的耦合是飞机设计的重要特点，这 是飞行设计中特殊性。 利用复合材料层压板的刚度方向性和耦合效应，使载荷作用下的翼面结构产生有
13、利 的弹性变形，从而提高结构性能和静、动气动弹性特性。 复材层板弯扭耦合特性 复合材料机翼气动弹性剪裁复合材料机翼气动弹性剪裁 复合材料无人机优化设计 复合材料综合设计 复合材料优化设计技术复合材料优化设计技术 复合材料无人机优化设计 复合材料无人机优化设计 HAJIF HAJIF优化正在进行的研究优化正在进行的研究 超大规模变量参数优化（10万变量、100万局部约束）； 典型结构参数化建模(基准模型)与布局优化设计； 复合材料结构细节优化设计(铺层、制造工艺)。 5 5 典型应用典型应用 某无人机布局与尺寸综合优化某无人机布局与尺寸综合优化 典型应用 三种飞翼布局和三种常规式机翼的初步设计，评估了结构性能， 提出了合理的设计方案。 大展弦比机翼气动弹性剪裁与优化，通过复材机翼气弹剪裁，其颤振 速度提高了26m/s，效果明显。 常规布局机翼模型 响应优化结果 某无人机气动弹性剪裁与优化某无人机气动弹性剪裁与优化 典型应用 感谢各位专家 ！
