[发明专利]一种复合材料机翼开口补强的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种复合材料机翼开口补强的优化设计方法，属于复合材料应用于飞行器结构力学领域。首先，用自适应方法确定开口近场区域，采用曲线加强筋结构改善载荷路径和近场区域的局部刚度。然后，对曲线加强筋进行双层优化：第一层整体优化，利用分布函数减少设计变量，确定曲线加强筋的数量和分布系数。第二层局部优化，确定每条曲线加强筋的控制点坐标和横截面形状。本发明以曲线加强筋的数量、分布系数、每条曲线加强筋的控制点坐标和横截面形状为设计变量，以结构重量最小化为目标函数，以满足结构强度和刚度要求为约束条件，通过双层优化策略和遗传算法，最终得出开口补强的最优化设计方案，相较于传统的开口补强优化方法有明显的有效性。

技术领域

本发明属于复合材料应用于飞行器结构力学领域，具体是一种复合材料机翼开口补强的优化设计方法。

背景技术

现今国内外对于复合材料机翼开口补强的研究，大致可分为以下两种方法：一是通过理论分析与实验验证，针对某种开口类型，采用对应的补强材料及补强方法，例如金属板螺栓连接补强、复合材料对称共固化补强、非对称插层补强或翻边补强等，进行理论或有限元分析，并将其结果与实验数据进行对比验证；另一种是对某种特定的补强方法进行优化分析，进行有限元模拟，并结合软件进行优化，得到特定补强型式的优化分析结果。

对于飞行器的设计制造，可选择的补强型式是多种多样的，对特定的补强方法进行优化，其结果不一定使得结构重量最小化；而对飞机结构设计而言，必须取得满足约束条件的结构重量最小解。因此，选择一种较新颖的开口补强结构，对其进行优化分析就显得尤为重要。

为防止结构屈曲和破坏，曲线加强筋凭借其良好的强度和刚度，被广泛应用于优先考虑重量最小化的飞行器设计与制造中。未来飞行器正朝着高速、高空、无人化、智能化、低成本等方向发展，与此同时，复合材料在飞机设计制造中的地位愈发重要。复合材料将逐步取代传统金属材料，对复合材料的研究符合未来航空领域技术发展趋势。与传统飞机结构设计相同，复合材料结构不可避免地会遇到开口问题。在机翼结构中，尤其是机翼的翼梁、肋、蒙皮等处，为满足设计使用要求，如检查维修、线路铺设、设备安装等，结构需要布置特定尺寸与形状的开口。

机翼壁板的承力和传力区域出现了开口，应力集中问题在开口附近尤为严重，这将直接影响结构传力，降低结构整体承载能力，最终对飞机结构寿命和飞行安全产生严重影响。

发明内容

针对上述问题，针对复合材料机翼，本发明采用曲线加强筋结构，以曲线加强筋的横截面形状、数量、分布系数、具体位置为设计变量，以结构重量最小化为目标函数，以满足结构强度和刚度要求为约束条件，通过双层优化策略和遗传算法，最终得出开口补强的最优化设计方案；具体是一种复合材料机翼开口补强的优化设计方法。

具体步骤如下：

步骤一、针对某飞行器的复合材料机翼，利用自适应方法确定该机翼开口的近场区域边界线；

步骤二、在开口的近场区域内，通过变换曲线加强筋的数量和分布系数，列举出曲线加强筋的各组配置方式；

步骤三、针对每组配置方式中的每条曲线加强筋，初步设定横截面形状为矩形，自行设置高度和厚度；通过计算曲线加强筋的分布函数，得到控制点的具体分布概况；

曲线加强筋包括开口加强筋、轴向加强筋和环向加强筋；其中，开口加强筋沿开口形状进行环绕式封口布置，轴向和环向加强筋由Bezier曲线来描述，包括起点、终点、中点三个控制点；

分布函数表达式为：

(x_s,y_s)为每条曲线起点控制点的坐标，(x_e,y_e)为每条曲线终点控制点的坐标，(x_m,y_m)为每条曲线中点控制点的坐标，t∈[0,1]。