基于Hypersizer的机翼结构布置优化设计探讨

Whitney 2023年11月10日浏览：1627 评论：1 收藏：5

摘要：当前大型民用飞机机翼多采用双梁多肋式结构布局形式，选择合理的肋间距和长桁间距有利于传递载荷和减轻重量。采用 Nastran 与 Hypersizer 进行机翼加筋壁板的布置优化分析，可以解决因长桁位置改变带来的重新建立有限元模型问题。本文章针对大型民用飞机复合材料机翼，以T型加筋壁板的静强度和稳定性为优化约束，以壁板重量最低为优化目标，利用 Nastran 与 Hypersizer 对机翼的长桁间距进行了优化，得到了最优的长桁间距范围为 250mm-300mm，壁板主要的失效模式是最大应变失效。

关键词：复合材料机翼结构布置；布置优化；加筋壁板优化；Hypersizer

引言

机翼结构设计是飞机总体设计中的重要组成部分，当前大型民用飞机机翼重量约占使用空机重量的 20%~30%。对于民机而言，飞机结构减重对减小轮档油耗、降低运营成本、提升飞机市场竞争力具有重要意义。

当前大型民用飞机机翼多采用双梁多肋式结构布局形式，沿机翼展向布置前、后梁和长桁，翼梁之间布置多个翼肋。机翼盒段长桁和翼肋的数量直接影响了壁板的承载能力，选择合理的机翼布置参数有利于传递载荷和减轻结构重量。在飞机初步设计阶段，机翼结构布置的主要设计优化目标是确定最优的长桁间距和肋间距，使得翼盒的结构重量最小。

本文针对大型民用飞机复合材料机翼，采用有限元前处理器 Patran 建立了机翼盒段有限元模型，在 Nastran 求解器中进行计算，并利用复合材料优化设计与分析软件 Hypersizer 对盒段长桁布置进行优化分析，得到最优的长桁间距，并对壁板失效模式进行了分析。同时，传播相关科学知识。

一、Hypersizer布置优化方法

1.1 优化原理

机翼布置优化设计的难点在于，有限元网格与结构构件的拓扑位置是密切关联的 [1]，布置优化过程中，如果改变了长桁的位置，则需要重新建立有限元模型，建模过程耗费大量的时间。

采用 Hypersizer 软件进行机翼布置优化设计可解决因长桁位置改变带来的重新建模问题，这是因为 Hypersizer 可将 Nastran 求解器中的蒙皮 Shell 单元定义为加筋壁板单元 [2]，加筋壁板单元的优化变量包括了加强筋间距，如图 1 所示。在建立翼盒有限元模型时，机翼壁板网格与长桁位置没有关联，网格数量确保计算得到的内力解能够表征该区域的受力情况即可 [3]。长桁布置位置和数量的变化通过改变加强筋间距实现，因此避免了重新建模，可以快速的对不同的布置方案进行计算分析。

基于Hypersizer的机翼结构布置优化设计探讨的图1

1.2 优化流程

a）本文采用有限元前处理器 Patran 建立了机翼盒段有限元模型，在Nastran求解器中计算得到单元内力解分布；

b）将有限元模型和内力计算结果导入 Hypersizer 中，选择 T 型加筋壁板的尺寸参数和铺层参数作为优化变量，加筋壁板的筋间距作为固定变量，形成参数集合；c）对每个参数组合进行几何尺寸、静强度、稳定性等各失效模式的分析校核，得到该筋间距下满足各种失效模式裕度要求的结构参数，选择重量最轻的参数组合，即为该筋间距下最优的壁板尺寸参数和铺层参数；d）将该筋间距下的尺寸参数和铺层参数迭代到有限元模型中，重新计算单元内力解，进行下一轮的迭代，直到重量优化曲线收敛为止，得到该筋间距下的壁板重量；e）改变筋间距变量值，重复上述 c 和 d 步骤，得到每个筋间距下壁板的最优重量；f）绘制筋间距与壁板重量的曲线图，选择壁板重量最轻的筋间距最为最优的长桁布置方案。

二、计算模型及优化结果

2.1 优化计算模型复合材料机翼有限元模型如图 2 所示。机翼展长 25 000mm，弦长 5 000mm，垂直前梁布置 30 个翼肋。上下壁板蒙皮采用 CQUAD 单元，属性采用 PCOMP 属性卡。前后梁为 C 型梁截面，梁缘条采用 CBAR 单元模拟，梁腹板采用 CQUAD 单元及 PCOMP 属性卡。

基于Hypersizer的机翼结构布置优化设计探讨的图2

在复合材料机翼结构优化中，需要包含多组临界设计载荷工况才能优选出最优参数组合。本文在计算时考虑了以下载荷工况：

a）2.5g 突风和机动载荷工况。该工况一般是机翼上壁板压缩破坏、下壁板拉伸破坏和翼根弯矩最大的临界设计工况；

b）最大垂直力着陆载荷工况。该工况可能是翼根最大扭矩的临界工况；

c）地面刹车载荷工况。该工况可能是翼根最大扭矩的临界工况。

在 Hypersizer 中将蒙皮单元设置为 T 型加筋壁板结构形式，优化参数如表 1 所示。蒙皮和长桁的复合材料铺层比例优化范围如表 2 所示。优化过程中考虑的失效模式包括：

a）蒙皮最大应变失效、蒙皮局部稳定性失效；

b）长桁最大应变失效、长桁腹板局部稳定性失效、长桁腹板压损失效；

c）T 型加筋壁板整体稳定性失效、压缩失效。

基于Hypersizer的机翼结构布置优化设计探讨的图3

选取不同筋间距的复合材料加筋壁板进行优化，筋间距变化范围 150mm~500mm，每增加 25mm 进行一次优化计算，通过各自的最优结果对比，选取最佳的筋间距。

2.2 优化结果

2.2.1 最优长桁间距

各长桁间距优化得到上下壁板重量如图 3 所示。在长桁间距 275mm 时，壁板的总重量最低，此时沿弦向共布置 22 根长桁。当长桁间距小于 200mm 时，壁板重量会显著增加，这是因为密长桁布置虽然能提高壁板的临界屈曲载荷，降低蒙皮和长桁的铺层数，但是长桁个数增加带来的壁板增重远高于铺层数降低带来的减重。当长桁间距高于 300mm 时，继续增加长桁间距，壁板的临界屈曲载荷降低，为满足壁板安全裕度要求，需大幅增加蒙皮和长桁的铺层数，会付出较大的重量代价。在肋间距 800mm 布置下，最优的长桁间距区间在 250mm~300mm 之间。

基于Hypersizer的机翼结构布置优化设计探讨的图4