机翼翼肋拓扑优化

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飞机结构拓扑优化方法研究

飞机结构拓扑优化方法研究
李英磊;曹宗杰
【期刊名称】《机械制造》
【年(卷),期】2018(56)7
【摘要】介绍了拓扑优化方法在飞机结构设计中的应用背景,分析了均匀化拓扑优化法、变密度拓扑优化法、渐进结构拓扑优化法、变厚度拓扑优化法、独立连续映射拓扑优化法、水平集函数拓扑优化法等飞机结构的主要拓扑优化方法,同时分析了各种拓扑优化方法的特点.
【总页数】4页(P14-17)
【作者】李英磊;曹宗杰
【作者单位】中国人民解放军空军航空大学航空作战勤务学院长春130022;中国人民解放军空军航空大学航空作战勤务学院长春130022
【正文语种】中文
【中图分类】TH123
【相关文献】
1.太阳能飞机翼肋结构拓扑优化设计
2.基于变密度法的某飞机隔框结构拓扑优化
3.基于HyperWorks的飞机耳片结构拓扑优化设计
4.基于Matlab的飞机机翼结构拓扑优化设计
5.基于遗传算法的飞机机翼结构拓扑优化设计方法
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大展弦比飞翼结构形状_尺寸综合优化设计

2007年10月强度与环境 Oct.2007 第34卷第5期STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.34, No.5大展弦比飞翼结构形状、尺寸综合优化设计王伟杨伟常楠（西北工业大学航空学院，西安 710072）摘要：为了降低无人机机翼的结构重量，对某型大展弦比复合材料飞翼结构进行了形状与尺寸综合优化设计。

在形状优化层次重点考虑主承力元件翼梁的位置，尺寸优化主要考虑各元件的几何尺寸。

采用NASTRAN进行尺寸优化，并将优化结果作为复合形法进行形状优化迭代的根据。

最后对整个结构的优化结果进行了详细有效的分析，可以看出，优化结果符合结构受力特点，减重效果明显。

关键词：大展弦比飞翼；形状优化；尺寸优化；复合形中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1006-3919(2007)05-0049-09Integrate shape/size optimization into a high aspect-ratioflying wing designWANG Wei YANG Wei CHANG Nan(College of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: In order to reduce structural weight of aircraft, in this paper, integrate shape/size optimization was utilized to a high aspect-ratio flying wing structure design. The shape optimization was mainly used to find the optimal locations of the longitudinal wing spars and the size optimization removes the redundant weight on all structural components. To begin with the integrate shape/size optimization, NASTRAN was used in size optimization, and then the results were transfer to the complex methods which were used to dealwith shape variables as the basic of the complex operation. Finally, the results of the optimization were analyzed effectively, it is shown that the optimization results agree with loading conditions and the weight reduction was obvious.Key words: high aspect-ratio flying wing; shape optimization; size optimization; complex method1 引言结构优化设计通常是指在给定结构外形，给定结构各元件的材料和相关载荷以及整个结构的强度、刚度、工艺等要求的条件下，对结构进行整体和元件优化设计。

基于ICM方法的机翼翼肋拓扑优化设计

基于ICM方法的机翼翼肋拓扑优化设计牛磊;孙鹏文;李双荣【摘要】为了实现飞机机翼的轻量化,对翼肋进行三维拓扑优化.基于ICM拓扑优化理论,建立了以重量最小为目标,以应变能为约束的机翼翼肋优化模型;在ABAQUS中优化结构寻求最优应力值,并采用移动渐进算法求解.结果表明,优化后的翼肋体积和重量均显著减少,验证了方法的可行性和有效性.【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】5页(P49-53)【关键词】ICM方法;移动渐进算法;拓扑优化;机翼翼肋【作者】牛磊;孙鹏文;李双荣【作者单位】内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051【正文语种】中文【中图分类】TH120 引言机翼结构主要包括翼梁、长桁、蒙皮和翼肋,翼肋重量占翼盒总重量的8%～12%,因此减轻其重量具有重要的意义[1]。

结构拓扑优化是通过计算材料在设计空间中的分布,模拟传力路径,优化材料布局,实现指定目标的最优化,在机械及航空领域得到了广泛应用。

主要方法有ICM(Independent Continuous and Mapping Method,独立、连续、映射)方法、均匀化方法、变密度方法、进化结构优化方法、水平集方法[2-6]等。

国内外学者在该领域的探索和研究主要有:邱福生[7]等借助ANSYS软件以结构最小柔度为目标函数,以体积为约束函数,对单载荷工况下三维机翼翼盒进行了结构拓扑优化设计。

董瑞星[8]等在MSC.PATRAN平台上二次开发了应力约束全局化的拓扑优化方法,并将该方法应用于翼肋的拓扑优化。

梅莉[9]等采用变密度方法,得到了翼肋大致构形及其挖孔位置,优化了翼肋上杆的截面积和肋板各部分的厚度。

Sid Buchanan[10]等利用工程估算和有限元软件相结合的方法对翼肋进行了拓扑优化。

大展弦比机翼结构拓扑优化研究

大展弦比机翼结构拓扑优化研究刘洋;王富生;岳珠峰【摘要】以六面体固支结构为小构件模型,研究了基本渐进结构优化方法(ESO)在简单结构拓扑优化中的应用,并且把改进的ESO算法应用到大展弦比机翼结构拓扑优化中.结果表明:(1)基本ESO算法在简单拓扑优化中具有算法简单、容易实现的优点;(2)基本ESO算法针对大辰弦比机翼的拓扑优化研究具有一定的局限性,需要进行改进;(3)应用改进后的ESO算法对大展弦比机翼进行拓扑优化可以得到合理的优化结构.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2010(000)008【总页数】3页(P220-222)【关键词】拓扑优化;渐进结构优化方法;大展弦比【作者】刘洋;王富生;岳珠峰【作者单位】西北工业大学工程力学系,西安,710072;西北工业大学工程力学系,西安,710072;西北工业大学工程力学系,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】TH161 引言飞机在结构设计中，飞机质量直接影响着飞机的各项性能，而结构质量的影响更大，机翼作为飞机极其重要的组成部分，其结构的质量轻化关系到整个飞机的各项性能指标。

机翼是飞机的主承力结构，传统的设计过程往往是设计人员凭借其经验或参考以前的型号，给出一个机翼各个元件的位置以及各种元件的尺寸大小，然后通过分析和校核，如果结果不能满足要求，再对给定的值进行修改，重复几次以满足设计要求。

此种方法过程重复繁琐，工作量大，其实际上是把设计安全性当作了一个主要的设计要求，降低了结构重量的要求。

同时使设计过多的依赖于设计人员的经验和判断，缺乏设计的准则与依据。

结构优化作为一门学科分支与实用设计技术最近发展十分迅速，有着明显的减重效果，因此在飞机设计领域中得到了蓬勃的发展[1]。

结构优化一般由设计变量、约束条件与目标函数三要素组成，根据设计变量的不同可以将结构优化分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。

拓扑优化准则是近15 年里逐渐成为学术和工程领域研究的热点之一，以选取结构元件的有无作为设计变量，为0-1 型逻辑变量。

某手掷式无人机机翼结构拓扑优化设计研究

mizes the target with minimum structure weight, takes the air dynamic force computed by Fluent as the load in
put conditions, takes the max displacement, max strain and buckling eigenvalue calculated by Nastran as re
无人机展开的几何外形与几何尺寸如图1及表1 所示,折叠后的无人机如图2所示。
图3某手掷式无人机机翼结构
表2无人机机翼结构材料性能
部位
材料
杨氏模量/ 剪切模量/
MPa
MPa
蒙皮
等效碳纤维复合材料
74/ (kg • mm-3)
摘要：为解决某型手掷式无人机机翼结构重量占比高的问题，采用一种多变量结构拓扑优化设计方法。以结构重量最小为优化目标，以Fluent软件计算的气动力为载荷输入，以Nastran软件计算的结构最大形变、最大应力和屈曲特征值为约束，以机翼结构尺寸为优化变量进行减重优化设计。结构性能仿真结果表明，优化后机翼结构减重21.7%且满足结构安全性能约束要求。可提升该无人机续航时间38%，增加有效载荷278 g。优化后机翼结构尺寸的变化规律也为同类型飞机机翼结构设计提供了参考。关键词：无人机;机翼重量；结构拓扑优化；结构性能仿真中图分类号:V279 文献标识码：A 文章编号：1008-5300(2019)02 -0008 -04
引言
手掷式无人机⑴具有重量轻、体积小、携带方
结构拓扑优化作为一种新兴的优化方法正逐渐应用于机翼结构优化减重领域。文献［2］提出一种渐进结构拓扑优化方法对某复杂机翼结构进行优化设计。

航空器结构优化设计的案例分析

航空器结构优化设计的案例分析在航空领域，航空器的结构设计是一项至关重要的工作。

优化航空器的结构不仅能够提高其性能和安全性，还能降低成本和能耗。

下面我们将通过几个具体的案例来深入探讨航空器结构优化设计的重要性和实现方法。

案例一：机翼结构的优化机翼是航空器产生升力的关键部件，其结构的优化对于提高飞行性能具有重要意义。

在某型客机的设计中，工程师们面临着减轻机翼重量同时保持足够强度和刚度的挑战。

最初的设计采用了传统的金属材料和结构布局，但经过分析发现，这种设计存在重量过大、空气阻力较高的问题。

为了解决这些问题，设计团队采用了先进的复合材料，并对机翼的内部结构进行了重新设计。

他们利用计算机模拟技术，对不同的复合材料铺设方案和结构形式进行了大量的仿真分析。

通过优化纤维的方向和层数，以及内部支撑结构的布局，成功地减轻了机翼的重量，同时提高了其强度和刚度。

此外，为了降低空气阻力，机翼的外形也进行了精细化的设计。

采用了更加流畅的曲线和翼梢小翼等装置，减少了气流的分离和阻力的产生。

经过这些优化措施，该型客机的燃油消耗降低了一定比例，飞行距离和载客量都得到了显著提升。

案例二：机身结构的轻量化设计机身是航空器的主体结构，承载着乘客、货物和各种设备。

在一款新型公务机的设计中，机身结构的轻量化成为了关键目标之一。

传统的机身结构通常采用铝合金材料，但为了进一步减轻重量，设计团队选择了钛合金和碳纤维复合材料的组合。

钛合金具有高强度和良好的耐腐蚀性，而碳纤维复合材料则具有轻质、高强度的特点。

在结构设计方面，采用了整体化的设计理念，减少了零部件的数量和连接点，从而降低了结构的复杂性和重量。

同时，通过优化机身的横截面形状和内部隔框的布局，提高了机身的抗弯和抗扭能力。

为了确保机身结构的安全性，设计团队进行了严格的强度和疲劳试验。

利用先进的测试设备和模拟技术，对机身在各种载荷条件下的响应进行了评估和验证。

经过多次改进和优化，最终实现了机身重量的大幅降低，同时满足了适航标准和安全性要求。

大展弦比机翼翼段气动弹性效应下拓扑优化分析

大展弦比机翼翼段气动弹性效应下拓扑优化分析吕计男;郭力;范学领;陈刚;刘子强【摘要】针对大展弦比机翼,根据巡航飞行状态气动载荷,采用拓扑优化方法进行结构优化及减重设计.机翼气动载荷由CFD/CSD耦合数值计算方法获得,载荷分布考虑了气动弹性变形下载荷大小和分布形式的变化.拓扑优化采用密度法,以结构减重指标为约束,以整体柔度最小为目标,采用商用软件开展分析.采用选择性激光烧结工艺并使用尼龙材料进行3D打印拓扑优化结构,验证了优化后结构的可加工性.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2018(036)006【总页数】5页(P1047-1051)【关键词】气动弹性;拓扑优化;3D打印;低速;CFD/CSD【作者】吕计男;郭力;范学领;陈刚;刘子强【作者单位】中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;西安交通大学航天航空学院,陕西西安 710049;西安交通大学航天航空学院,陕西西安 710049;中国航天空气动力技术研究院,北京 100074【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言低速、大展弦比飞机结构减重是飞机设计中面临的重要问题。

此类飞机往往柔性大，气动力和结构相互作用下气动弹性变形明显。

气动弹性变形使得气动载荷重新分布，气动载荷大小及分布规律与刚性飞机相比变化明显[1-2]。

大展弦比机翼气动载荷作用下几何非线性效应明显[3]，结构刚度受载荷状态影响且结构变形又影响气动力的分布，气动/结构一体化优化成为重要的研究方向[4]。

目前飞机设计主要根据经验来布置机翼的梁和肋的位置，结构的形状和尺寸受制于传统制造技术。

如果取消制造技术的约束，将设计重点转移到根据载荷形式确定结构，去除不需要的材料，将有效提高结构效率，达到减重的最终目标。

结构优化设计中,拓扑优化方法被认为是一种根据给定的设计空间确定结构材料分布的有效的数学方法。

在过去的一段时间内，基于拓扑优化的方法并没有得到有效的应用，其中很重要的一个原因是优化后的结构无法采用传统制造工艺完成或者加工成本过高[5]。

大展弦比飞翼结构拓扑形状与尺寸优化设计

密度法和ＥＳＯ（ＥｖｏｌｕｔｉｏｎａｙｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）方法，并对ＥＳＯ方法进行改
进，使之适合机翼结构的拓扑优化设计优化设计，将复合形法与ＮＡＳＴＲＡＮ的改进的可行方向法相结合，分别优化翼梁的位置和机翼各元件的几何尺寸，两者相互交替，相互嵌套，最终完成了机翼结构的布局优化设计。在整个布局优化设计中，拓扑优化是独立的，形状优化与尺寸优化是相互关联的。第一级优化是第二级优化的基础，第二级优化是第一级优化的修正与发展。通过对大展弦比飞翼结构优化说明，本文所提的两级三层优化方法是可行的和有效的，有着很好的减重效果。关键字：大展弦比飞翼结构，布局优化，拓扑优化，ＥＳＯ，复合形法，
ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｓｏｆｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓ，ｗｅｍａｉｎｌｙｓｏｌｖｅｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｐａｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｅｎｔａｔｗｏ－ｌｅｖｅｌａｐｐｒｏａｃｈｉｎｗｈｉｃｈｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｓｈａｐｅａｎｄｓｉｚｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｃｌｕｄｅｄ．ＩｎｔｈｅｆｉｒｓｔｌｅｖｅｌａｎｉｍｐｒｏｖｅｄＥＳＯ（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｙｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）ａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｄｅｎｓｉｔｙｍｅｔｈｏｄｗｓａｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｎｕｍｂｅｒａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｐａｒｓａｎｄｉｎｔｈｅｓｅｃｏｎｄｏｎｅｈｙｂｒｉｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｍｅｔｈｏｄａｎｄＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｉｚｅｏｆａｌｌｗｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｈａｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎ

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