復合材料機翼結構拓撲-尺寸聯(lián)合優(yōu)化設計.pdf

1、復合材料具有高比強度、高比模量等優(yōu)勢，隨著加工工藝和可靠性的不斷改善，在航空航天結構中的使用率越來越高，特別是在中小型無人機中的應用非常廣泛，很多采用了全復合材料機體結構。為了進行無人機結構的輕量化設計，本文在查閱拓撲優(yōu)化和復合材料結構優(yōu)化相關資料的基礎上，提出了一種針對復合材料結構優(yōu)化的拓撲-尺寸聯(lián)合優(yōu)化策略，首先通過拓撲優(yōu)化得到結構的布局形式，然后在此基礎上建立復合材料結構模型，并對此進行尺寸優(yōu)化，從而得到優(yōu)化的復合材料結構。通過復

2、合材料箱型結構的優(yōu)化算例驗證了該優(yōu)化策略的可行性。
　　基于拓撲-尺寸聯(lián)合分級優(yōu)化方法，考慮機翼一般設計要求和工程經驗，對某型無人機機翼進行了有限元模型建立及載荷簡化，并對其進行了整體結構的優(yōu)化設計。首先，對機翼內部假設為實心均勻材料的初始模型出發(fā)進行拓撲優(yōu)化分析，得到梁、肋的布局信息;接著，將拓撲優(yōu)化出的梁、肋采用泡沫夾芯復合材料替換，建立尺寸優(yōu)化的有限元模型，進行面板不同角度鋪層的厚度的優(yōu)化;最后，進行鋪層順序優(yōu)化，完成機翼的

3、整體優(yōu)化設計。比較有無泡沫夾芯情況下機翼優(yōu)化情況，結果表明泡沫夾芯復合材料優(yōu)化效果更佳，承載能力更強。
　　對某型帶掛載無人機機翼采用上述方法進行了結構優(yōu)化，根據(jù)拓撲優(yōu)化結果對機翼翼尖進行加強梁和肋設計，得到較顯著的減重效果。結合Optistruct軟件通過自由尺寸優(yōu)化、層組尺寸優(yōu)化及鋪層順序優(yōu)化完成了帶掛載機翼蒙皮的自由尺寸優(yōu)化設計。三種泡沫厚度情況下的優(yōu)化結果表明一定厚度的泡沫夾芯有利于在保證強度和剛度的前提下提高減重效果。<