[发明专利]一种复合材料舱门优化方法

说明书

技术领域

本发明属于飞机结构强度设计领域，尤其涉及一种复合材料舱门优化方法。

背景技术

随着航空器的不断的发展，对轻量化要求也日益严格，而复合材料以其优异的减重特点备受关注，近年来复合材料在国内军民用飞机中的应用比例大幅度提升，几乎所有在研飞机都将复合材料应用比例作为一项重要的设计指标。目前，国外已有关于复合材料气密舱门的工程应用，资料显示复合材料舱门比金属舱门减重约30％，如A350XWB登机门。国内复合材料主要用于起落架舱门等非气密舱门，近年来也陆续开展了复合材料气密舱门的研究工作。

民用飞机在飞行过程中，为了保证飞机座舱内的舒适环境，必须对飞机进行气密增压，气密货舱门，和其它气密舱门一样要承受很大的压差载荷。因此在舱门结构设计中，除满足强度要求外还必须满足刚度要求。

以往的舱门分析大都是基于强度约束条件和铺层约束条件，对刚度约束条件定义比较笼统，通常只有最大变形量这一个指标。因此在复合材料舱门设计中，完善多种刚度约束条件，并研究其在舱门优化中的实施方法具有实际工程应用价值与需求。

发明内容

本发明完善了舱门刚度约束条件，在此基础上按照强度及铺层比例等要求，提供了一种考虑最大变形量、波纹度、阶差、间隙等多种刚度约束的复合材料舱门优化方法，得到了适应工程需要的复合材料舱门铺层形式。

本发明复合材料舱门优化方法，主要包括以下步骤:

S1、建立所述复合材料舱门的有限元模型，所述有限元模型包括的复合材料初始铺层属性为，根据金属舱门的等刚度原则设计复合材料舱门初始铺层厚度，且基础铺层格式为[45_N1/0_N2/-45_N3/90_N4]_S，其中，N1、N2、N3及N4为对应角度铺层数量；

S2、以N1、N2、N3及N4为优化变量，以舱门结构重量最轻为目标函数建立第一次优化模型；

S3、进行第一次优化，并对优化结果进行约束条件的符合性检查，若不满足约束条件，则返回步骤S2修改优化变量，或者修改约束条件，直至获得基础铺层格式下满足约束条件的最优铺层数量及铺层比例；

S4、根据步骤S3的铺层优化结果更改铺层方式，修改后的铺层方式包括对称铺层、连续相同角度铺层不超过三层以及相邻铺层角度不超过60°；

S5、根据步骤S4的铺层方式，以是否具有某一层铺层为优化变量，以所述舱门结构重量最轻为目标函数建立第二次优化模型；

S6、进行第二次优化，获得满足所述约束条件的最小重量舱门的复合材料铺层方式。

优选的是，所述步骤S2中舱门结构重量为其中，ρ_i为构件i所用材料的密度，L_i为构件i的板件面积，A_i为构件i的板件厚度，N为构件数量。

上述方案中优选的是，所述步骤S3中的约束条件包括刚度约束条件、强度约束条件及铺层比例约束条件。

上述方案中优选的是，所述刚度约束包括对舱门的波纹度、阶差、间隙以及止动接触点进行约束。

上述方案中优选的是，所述强度约束包括对舱门的许用应变、复合应变以及单层失效进行约束。

上述方案中优选的是，所述铺层比例约束为0°铺层占比35％～55％，±45°铺层占比35％～60％，其余为90°铺层。

本发明的优点和效果包括：

1)通过优化设计复合材料舱门结构在满足刚度、强度等性能指标的前提下，相对于金属舱门方案，大幅度降低了舱门重量，满足了舱门轻量化设计要求。

2)对复合材料舱门进行了两次优化分析，在满足结构重量最轻的情况下，最大限度地发挥了复合材料的铺层优势；

3)利用本发明的优化方法，考虑了多个刚度约束条件，包括最大变形量、波纹度、阶差、间隙等刚度要求，改变了传统的舱门分析仅考虑了最大变形量单一的约束条件，优化得到的铺层方式为实际工程应用提供参考。

附图说明

图1为本发明复合材料舱门优化方法的一优选实施例的流程图。

图2为本发明图1所示实施例的舱门波纹度示意图。

图3为本发明图1所示实施例的舱门阶差示意图。

图4为本发明图1所示实施例的止动接触点最大变形示意图。

图5为本发明图1所示实施例的两次优化重量迭代过程图。

具体实施方式