多工况下基于三维结构拓扑优化的机翼主传力路径确定技术研究

论文摘要

主传力路径为飞机主承力构件结构形式的选取及其合理布置提供了重要依据,在飞机结构优化设计过程中具有重要意义。拓扑优化设计是寻找结构主传力路径的一种有效方法。以某型号飞机缩比验证机的机翼为研究对象,重点开展了基于三维结构拓扑优化的机翼主传力路径确定技术研究。主要研究工作包括:1.研究了实体各向同性材料惩罚函数法SIMP(Solid Isotropic Material With Penalization)方法和多载荷工况下的线性加权和法,推导了基于SIMP插值模型理论的优化准则。2.研究了三维机翼的模型简化和模型的建立。针对机翼翼盒的特殊结构,为了达到装配要求,提出建模过程中使芯板和蒙皮相黏结;为了在芯板和蒙皮接触面上获得比较好的网格划分形状,采取了先装配连接再网格划分的方式。3.重点探讨了单工况和多工况下基于ANSYS的三维翼盒结构的拓扑优化问题。以三维机翼翼盒结构的概念设计为研究对象,分别对单载荷工况和多载荷工况下翼盒进行了结构拓扑优化设计,确定出其主传力路径,优化结果说明本文提出的方法具有一定的可行性和有效性。本文运用结构拓扑优化方法确定了机翼结构的主传力路径,为飞机总体概念设计阶段确定机翼结构的最优形式探索了一条有别于经验设计的新途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 结构优化设计发展历程
• 1.2.2 拓扑优化的发展和应用
• 1.2.3 传力路径
• 1.3 本论文主要工作
• 第2章 结构优化设计和机翼主传力路径确定方法
• 2.1 结构优化设计的分类
• 2.1.1 尺寸优化设计
• 2.1.2 形状优化设计
• 2.1.3 拓扑优化设计
• 2.1.4 三类结构优化之间的关系
• 2.2 机翼的结构分析
• 2.2.1 机翼的功用和设计要求
• 2.2.2 机翼主要受力构件的用途和结构型式
• 2.2.3 直机翼的结构受力型式及其传力路径分析
• 2.3 机翼主传力路径确定方法
• 2.4 小结
• 第3章 连续体结构拓扑优化方法
• 3.1 拓扑优化基本理论与方法
• 3.1.1 拓扑优化方法介绍
• 3.1.2 拓扑优化方法之间的比较
• 3.1.3 拓扑优化方法主要存在问题
• 3.1.4 连续体结构拓扑优化准则法
• 3.2 实体各向同性材料惩罚函数法SIMP （SOLID ISOTROPIC MATERIAL WITH PENALIZATION）方法
• 3.2.1 SIMP 材料插值方法思想
• 3.2.2 SIMP 材料插值模型
• 3.2.3 SIMP 材料插值模型的敏度
• 3.2.4 SIMP 材料插值模型的优化准则
• 3.3 多载荷工况连续体结构拓扑优化
• 3.3.1 多载荷工况概述
• 3.3.2 多载荷工况下的线性加权和法
• 3.3.3 线性加权和法基本原理
• 3.3.4 线性加权和法的数学模型
• 3.4 基于ANSYS 的拓扑优化
• 3.4.1 基于ANSYS 的拓扑优化设计理论和方法
• 3.4.2 ANSYS 中的多载荷工况
• 3.4.3 Solid95 单元
• 3.4.4 二维多载荷拓扑优化设计算例
• 3.5 小结
• 第4章 三维机翼的模型简化和建模方法
• 4.1 三维机翼模型简化
• 4.2 建模中的网格划分
• 4.2.1 网格划分的主要步骤
• 4.2.2 网格划分的主要方法
• 4.2.3 网格划分的注意事项
• 4.3 三维机翼的建模方法
• 4.4 三维机翼翼盒建模算例
• 4.4.1 分析准备
• 4.4.2 定义单元和材料属性
• 4.4.3 建立几何模型
• 4.4.4 划分网格并建立有限元模型
• 4.4.5 施加载荷和约束
• 4.4.6 算例命令流
• 4.4.7 结论
• 4.5 小结
• 第5章 基于拓扑优化的三维机翼翼盒主传力路径的确定
• 5.1 基于ANSYS 三维机翼结构拓扑优化的主传力路径确定流程
• 5.2 单工况下三维机翼翼盒拓扑优化确定主传力路径的算例
• 5.2.1 定义拓扑优化问题
• 5.2.2 选择单元类型
• 5.2.3 指定优化和不优化区域
• 5.2.4 定义和控制载荷工况
• 5.2.5 定义和控制优化过程
• 5.2.6 查看结果确定主传力路径
• 5.3 多工况下三维机翼翼盒拓扑优化确定主传力路径的算例
• 5.3.1 定义拓扑优化问题
• 5.3.2 选择单元类型
• 5.3.3 指定优化和不优化区域
• 5.3.4 定义和控制载荷工况
• 5.3.5 定义和控制优化过程
• 5.3.6 查看结果确定主传力路径
• 5.4 算例分析
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文