大型飞机结构多层次优化设计技术及COMPASS

【作者】 段世慧； 刘钢； 孙侠生； 孙宪学；

【机构】 中国飞机强度研究所；

【摘要】 本文简要介绍 COMPASS 主要功能和关键技术。COMPASS 基于有限元分析和优化技术,是一个自包容的多学科软件系统,能够在复合材料铺层级上进行结构在气动弹性和强度约束下的剪裁设计。COMPASS 采用多层次优化策略以满足现代飞机轻重量、长寿命、高可靠性的要求。利用最优准则法和数学规划法分别处理局部约束(如应力、应变、局部屈曲等)和总体约束(变形、颤振速度、发散速度和操纵面效率),在最优准则法中,提出了以层合板分层为基本单位,用满应变设计层板厚度,以应变能原理调整分层比例的二级优化策略；在数学规划法中,以满足静强度约束为基础,对机翼结构进行满足重量、位移、转角、频率等的多约束优化,利用解析敏度技术寻找最优的元素尺寸。特别地,对于机翼气动弹性剪裁,目前己实现了对铺层主方向角、铺层顺序和厚度的优化,以及考虑结构与气动相互耦合的柔性气动力计算,通过有限元和面元法进行结构和气动分析,采用样条插值实现结构变形到气动变形的转换,利用载荷等效方法完成气动力到节点集中力的转换。本文给出了复合材料板壳结构铺层设计的方法,并将其编入 COMPASS 版本中。工程应用表明,该方法实用可靠,设计效率高,优化设计软件 COMPASS 为工程技术人员提供了有效的设计手段,可应用于大型飞机结构设计中。更多还原