工程力学 ›› 2019, Vol. 36 ›› Issue (9): 213-220.doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.09.0476

• 机械工程学科 • 上一篇    下一篇

复合材料支撑机翼撑杆位置与结构综合优化设计

肖志鹏, 仇翯辰, 周磊   

  1. 中国商飞北京民用飞机技术研究中心民用飞机结构与复合材料北京市重点实验室, 北京 102211
  • 收稿日期:2018-09-06 修回日期:2018-11-22 出版日期:2019-09-25 发布日期:2019-04-16
  • 通讯作者: 肖志鹏(1983-),男,湖南人,高工,博士,从事飞机复合材料结构设计与优化(E-mail:xiaozhipeng@comac.cc). E-mail:xiaozhipeng@comac.cc
  • 作者简介:仇翯辰(1988-),男,湖南人,工程师,博士,从事飞机复合材料结构设计(E-mail:qiuhechen@comac.cc);周磊(1988-),男,陕西人,工程师,硕士,从事复合材料机翼结构设计与优化(E-mail:zhoulei1@comac.cc).

INTEGRATED OPTIMIZATION DESIGN OF STRUT LOCATION AND STRUCTURE FOR COMPOSITE STRUT-BRACED WING

XIAO Zhi-peng, QIU He-chen, ZHOU Lei   

  1. Beijing Aeronautical Science and Technology Research Institute of COMAC, Beijing Key Laboratory of Civil Aircraft Structures and Composite Materials, Beijing 102211, China
  • Received:2018-09-06 Revised:2018-11-22 Online:2019-09-25 Published:2019-04-16

摘要: 针对复合材料支撑机翼,发展了一种撑杆位置和结构综合优化设计的方法。在两种严重设计载荷状态下,考虑气动弹性效应和复合材料铺层结构的不确定性,以结构质量最小化为目标,以翼尖垂直变形、翼尖扭角、撑杆屈曲稳定性、颤振速度和强度要求为约束,在一个优化过程中实现了撑杆位置和结构参数的同步优化设计和鲁棒优化设计。结果表明,翼尖垂直变形和颤振速度要求对于撑杆位置影响明显,最优的撑杆展向位置都靠近翼根一侧,同时撑杆的总体稳定性成为同步优化设计的关键约束。鲁棒优化设计得到的撑杆位置和结构参数的最优组合对铺层结构的不确定性摄动具有良好的抗干扰性,鲁棒优化得到的最优撑杆位置会随着设计变量摄动范围而变化,翼尖垂直变形成为鲁棒优化设计的关键约束。

关键词: 支撑机翼, 复合材料, 综合优化, 鲁棒, 气动弹性, 撑杆位置, 颤振

Abstract: An integrated optimization methodology is developed for the design of strut location and structure for composite strut-braced wing. The optimization design with consideration of aeroelastic effects and uncertainties of composite plies is conducted in the case of two critical design load conditons. The objective is to minimize the structural mass subject to the constraints of vertical deformation and torsion angle at wingtip, global buckling of strut, flutter speed and stress. The synchronized optimization and the robust optimization are both accomplished for the location and structural parameters in one optimization process. The results indicate that the strut location can be significantly influenced by the constraints of vertical deformation at wingtip and flutter speed. The optimal spanwise locations of strut are close to the wingroot area, and the global buckling of strut will be the critical constraint for synchronized optimization design. The capacity of resisting disturbance is excellent for the robust optimal combination of strut location and structural parameters in case of the uncertain perturbation of composite plies. The optimal strut location resulted from robust design will change with the perturbation ranges of design variables, and the vertical displacement at wingtip will be the critical constraint for robust optimization design.

Key words: strut-braced wing, composites, integrated optimization, robust, aeroelasticity, strut location, flutter

中图分类号: 

  • V211.47
[1] Grasmeyer J M. Multidisciplinary design optimization of a transonic strut-braced wing aircraft[R]. AIAA 99-0010, 37th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 1999.
[2] Imon C, Taewoo N, Jonathan R G, et al. Comparative assessment of strut-braced and truss-braced wing config-urations using multidisciplinary design optimization[J]. Journal of Aircraft, 2015, 52(6):2009-2020.
[3] Gabriel P C. Wing weight estimation in conceptual design:a method for strut-braced wings considering static aeroelastic effects[J]. CEAS Aeronautical Journal, 2016, 7(3):499-519.
[4] Robert E B, Christie J F, Robert C S. Limit-cycle oscillation of the subsonic ultra-green aircraft research truss-braced wing aeroelastic model[J]. Journal of Aircraft, 2017, 54(5):1605-1613.
[5] 朱自强, 王晓璐, 吴宗成, 等. 支撑机翼跨声速民机的多学科优化设计[J]. 航空学报, 2009, 30(1):1-11. Zhu Zhiqiang, Wang Xiaolu, Wu Zongcheng, et al. Multi-disciplinary optimization of strut-braced wing transonic transport[J]. Acta Aeronatica &Astronautica Sinica, 2009, 30(1):1-11. (in Chinese)
[6] 张成成, 姚卫星. 斜拉翼结构刚度分布与重量特性[J]. 南京航空航天大学学报, 2009, 41(4):470-474. Zhang Chengcheng, Yao Weixing. Structural stiffness configuration and weight property of strut-braced wing[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2009, 41(4):470-474. (in Chinese)
[7] 肖志鹏, 赵群, 徐吉峰. 考虑气动弹性约束的复合材料支撑机翼优化设计[J]. 复合材料学报, 2014, 31(1):194-199. Xiao Zhipeng, Zhao Qun, Xu Jifeng. Optimization design of composite strut-braced wings with aeroelastic constraint[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2014, 31(1):194-199. (in Chinese)
[8] 付志超, 陈占军, 刘子强. 大展弦比机翼气动弹性的几何非线性效应[J]. 工程力学, 2017, 34(4):231-240. Fu Zhichao, Chen Zhanjun, Liu Ziqiang. Geometric nonlinear aeroelastic behavior of high aspect ratio wings[J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(4):231-240. (in Chinese)
[9] 谭申刚, 万志强. 基于现代优化方法的气动弹性建模与设计技术[J]. 工程力学, 2008, 25(8):235-240. Tan Shengang, Wan Zhiqiang. Aeroelastic modeling and design technology based on modern optimization methods[J]. Engineering Mechanics, 2008, 25(8):235-240. (in Chinese)
[10] Scarth C, Sartor P N, Cooper J E, et al. Robust and reliability-based aeroelastic design of composite plate wings[J]. AIAA Journal, 2017, 55(10):3539-3552.
[11] Wan Z Q, Xiao Z P, Yang C. Robust design optimization of flexible backswept wings with structural uncertainties[J]. Journal of Aircraft, 2011, 48(5):1806-1809.
[12] 杨超, 肖志鹏, 万志强. 多控制面飞行器结构与配平鲁棒气动弹性优化方法[J]. 航空学报, 2011, 32(1):75-82. Yang Chao, Xiao Zhipeng, Wan Zhiqiang. A robust aeroelastic optimization method of structure and trim for air vehicle with multiple control surfaces[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(1):75-82. (in Chinese)
[13] 刘鸿文. 材料力学:下册[M]. 第3版. 北京:高等教育出版社, 2002:151-153. Liu Hongwen. Mechanics of materials:B[M]. 3rd ed. Beijing:Higher Education Express, 2002:151-153. (in Chinese)
[14] 王晓军, 马雨嘉, 王磊, 等. 飞行器复合材料结构优化设计研究进展[J]. 中国科学:物理学力学天文学, 2018, 48:014602. Wang Xiaojun, Ma Yujia, Wang Lei, et al. Advances in optimization design study for aircraft composite structure[J]. Sci Sin-Phys Mesh Astron, 2018, 48, 014602-1-014602-16. (in Chinese)
[15] 杨乃宾, 章怡宁. 复合材料飞机结构设计[M]. 北京:航空工业出版社, 2002:102-120. Yang Naibin, Zhang Yining. Structural design of composite airplane[M]. Beijing:Aviation Industry Press, 2002:102-120. (in Chinese)
[1] 徐明雪, 梁兴文, 汪萍, 王照耀. 超高性能混凝土梁正截面受弯承载力理论研究[J]. 工程力学, 2019, 36(8): 70-78.
[2] 杜永峰, 时晨. 多向动力耦合激励下隔震结构连续倒塌性能分析[J]. 工程力学, 2019, 36(6): 248-256.
[3] 许本胜, 臧朝平, 缪辉, 张根辈. 结构动力鲁棒优化设计方法综述[J]. 工程力学, 2019, 36(4): 24-36.
[4] 王景全, 王震, 高玉峰, 诸钧政. 预制桥墩体系抗震性能研究进展:新材料、新理念、新应用[J]. 工程力学, 2019, 36(3): 1-23.
[5] 郑欣, 刘宇斌, 陈璞, 沈峰, 张圣君, 傅向荣. 基于弯扭耦合理论的颤振频率计算方法[J]. 工程力学, 2018, 35(S1): 1-5,12.
[6] 孙超杰, 李庆华, 吕君锋. 型钢-UHTCC组合梁静载力学性能试验研究[J]. 工程力学, 2018, 35(S1): 62-66,79.
[7] 穆富江, 王激扬, 李伟平, 徐世烺. 钢丝网-喷射UHTCC薄板抗弯性能试验研究[J]. 工程力学, 2018, 35(S1): 338-343.
[8] 解江, 张雪晗, 苏璇, 牟浩蕾, 周建, 冯振宇, 蓝元沛. 铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究[J]. 工程力学, 2018, 35(6): 231-239.
[9] 潘兆东, 谭平, 周福霖. 不确定结构输出反馈H保性能鲁棒分散控制研究[J]. 工程力学, 2018, 35(4): 160-167.
[10] 洪俊青, 刘伟庆, 方海, 张富宾. 复合材料夹层板单向受弯应力分析[J]. 工程力学, 2018, 35(4): 41-51.
[11] 李珂, 葛耀君, 赵林, 夏锦林. 大跨度斜拉桥气弹模型对结构静风响应的反应能力的数值研究[J]. 工程力学, 2018, 35(3): 79-85.
[12] 刘燚, 杨澜, 谢长川. 基于曲面涡格法的柔性飞机静气动弹性分析[J]. 工程力学, 2018, 35(2): 249-256.
[13] 李一坡, 胡建辉, 陈务军, 杨德庆, 房光强, 彭福军. 碳/环氧薄壁豆荚杆热-结构性能试验研究[J]. 工程力学, 2018, 35(11): 232-239.
[14] 王骑, 李郁林, 李志国, 廖海黎. 不同风攻角下薄平板的颤振导数[J]. 工程力学, 2018, 35(10): 10-16.
[15] 潘兆东, 谭平, 周福霖. 基于保性能自适应RBF神经网络的MR半主动非线性鲁棒分散控制[J]. 工程力学, 2018, 35(10): 47-55.
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  Discussed   
[1] 张伯艳;陈厚群. LDDA动接触力的迭代算法[J]. 工程力学, 2007, 24(6): 0 -006 .
[2] 陈有亮;邵伟;周有成. 水饱和混凝土单轴压缩弹塑性损伤本构模型[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 59 -063, .
[3] 吴方伯;黄海林;陈伟;周绪红;. 肋上开孔对预制预应力混凝土带肋薄板施工阶段挠度计算方法的影响研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 64 -071 .
[4] 李宗利;杜守来. 高渗透孔隙水压对混凝土力学性能的影响试验研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 72 -077 .
[5] 王坤;谢康和;李传勋;童磊. 特殊条件下考虑起始比降的双层地基一维固结解析解[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 78 -082 .
[6] 姜亚洲;任青文;吴晶;杜小凯. 基于双重非线性的混凝土坝极限承载力研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 83 -088 .
[7] 吴明;彭建兵;徐平;孙苗苗;夏唐代. 考虑土拱效应的挡墙后土压力研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 89 -095 .
[8] 陆本燕;刘伯权;邢国华;吴涛. 桥梁结构基于性能的抗震设防目标与性能指标研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 96 -103, .
[9] 左志亮;蔡健;钟国坤;杨春;. 带约束拉杆T形截面钢管内核心混凝土的等效单轴本构关系[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 104 -113 .
[10] 田力;高芳华. 地下隧道内爆炸冲击下地表多层建筑的动力响应研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 114 -123 .
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2018年11月15日