飞翼式布局飞机结构重量优化设计方法

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1、飞翼式布局飞机结构重量优化设计方法张仲桢余雄庆胡添元（南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室南京210016）摘要：针对飞翼布局飞机结构最小重量要求，提出了一种结构二级优化策略，第一级是结构布局优化，第二级是尺寸优化。以结构重量为优化目标，用遗传算法对结构布局进行优化，应用MSC.NASTRAN软件对全机的结构尺寸进行优化。整个二级过程优化过程用iSIGHT软件集成，最终实现了结构布局和结构尺寸的同时优化。结果表明所提出的结构二级优化策略和技术途径能有效的解决飞翼式布局的飞机结构重量优化问题。关键字：飞翼；结构；最小重

2、量；二级优化；中图分类号:V214.19文献标志码:A翼结构布局采用双梁式布局形式，前梁在弦长15%0引言处，后梁在弦长65%处，肋距约为580mm左右，飞机结构重量作为全机重量的重要组成部分，共布置14根肋。但该布局方案不一定是最优方案，一般占全机重量的30%左右，结构设计的最小重量而采用布局和尺寸同时优化方法可能会获得重量最要求是飞机结构设计的基本要求之一。最小重量要轻的结构设计方案。求是指：在满足强度、刚度、工艺等要求的前提下，[2]确定结构布局和结构件尺寸，使得结构重量最轻。优化方法有助于设计人员能获得更轻的结构设计方案。但

3、目前大多数结构分析和优化软件（例如MSC.NASTRAN，ANSYS等）只能进行结构尺[3]寸优化，而结构布局主要依靠设计人员的经验来图1全机CAD外形图布置。但对于新型飞机，以往的经验不一定能获得最轻的结构布局和尺寸设计方案。更好的办法是在飞机初步结构设计阶段，将结构布局优化和尺寸优[4]化同时考虑，从而得出结构最轻设计。本文针对飞翼外形飞行器结构设计最小重量要求，提出一种二级优化的策略，即第一级对结构布局进行优化，第二级对结构件尺寸变量进行优化，以期获得最轻的结构设计方案。以下首先给出飞翼图2结构布局示意图结构初步设计的优化问题

4、，然后阐述所采用的优化用优化设计方法描述这一结构布局和尺寸设方法和实施流程，最后对优化计算结果进行分析。计问题，可表达为：1优化问题的描述目标函数：全机结构重量最轻设计变量：X1，X2本文要解决的问题是：根据飞翼外形的设计结设计约束：构件正应力≤450MPa果（如图1所示），需完成结构件布置和确定各受力构件剪应力≤250MPa，构件的尺寸，使结构重量尽量轻。全机所有结构材最大位移≤5%半展长料采用硬铝LY12，弹性模量为69GPa，密度为翼梁个数取值：2或332700kg/m，泊松比0.3。按以往的常规布置结构设前梁位置范围：0.1

5、35～0.165计的经验，一种可能的布局形式如图2所示。该机后梁位置范围：0.6～0.7束的前提下，寻找各构件最佳尺寸，使该结构布局其中X1为描述结构布局特征的设计变量，包括机翼方案的结构重量最轻。在第二级优化中，结构布局梁的个数、机翼梁的位置；X2为描述构件尺寸的设参数是固定的，采用MSC.NASTRAN软件提供的[3]计变量，包括机身加强框厚度、上下蒙皮厚度、纵优化方法，对全机的结构尺寸进行优化，将优化梁厚度、加强框缘条面积、支柱面积，机翼上下蒙结果（结构重量）返回给第一级。在第一级优化中，皮厚度、翼肋厚度、梁腹板厚度、梁缘条面

6、积、支根据第二级优化的结果，寻找最佳结构布局方案（机柱面积、肋缘条面积。在飞翼结构布置设计中，采翼梁的个数、机翼梁的位置），使机翼结构重量最轻。用多梁式布局，梁个数取值范围为2或3。前梁位由于第一级优化问题中的设计变量包含连续设计变置变量范围为当地弦长13.5%到16.5%之间，后梁量和离散变量，所以采用遗传算法对机翼和机身内位置变化范围为当地弦长60%到70%之间。翼肋的部结构进行结构布局优化。通过第一级的布局优化作用是维持机翼剖面形状，提高蒙皮稳定性的。但与第二级的尺寸优化之间的多次迭代，最终获得结在本文中暂不考虑稳定性约束，翼

7、肋个数按经验确构布局和构件尺寸的最优设计方案以及最小结构重定为14，不作为设计变量。量。在该优化问题中，设计变量包含结构布局参数2.2优化过程的实现和尺寸参数，设计变量类型包含连续设计变量和离实现上述飞翼结构二级优化策略的流程图如散变量（翼梁个数），用现有的CAE软件（如[5]图4所示。综合应用iSIGHT软件的集成和优化MSC.NASTRAN）无法求解，必须探索新的优化策略。[3]功能，以及MSC.PATRAN和NASTRAN软件的结构分析和优化功能实现该流程图各环节。以下阐2优化策略与实施流程述实现该流程图中各环节的具体过程。2

8、.1二级优化策略为了解决上述结构布局优化和尺寸同时优化结构布局优化结构尺寸优化问题，本文采用二级优化策略，即将优化过程分为②结构布局参数化①外形CAD模型结构布局优化和结构尺寸优化二个层次，结构布局优化和结构尺寸优化之间的关系如图3所