[发明专利]一种机身结构适坠性优化正向设计方法

说明书

本发明提出一种机身结构适坠性优化正向设计方法，该方法对该机身结构进行整体设计，通过筛选出机身客舱下部结构这个复杂系统中控制适坠性的优化设计结构参数，并确定乘员加速度峰值和平均加速度作为设计目标，建立设计目标的响应面近似模型，最后通过多目标优化手段得到最终的优化设计结构参数取值。结果表明，基于响应面法建立的回归模型可以较为准确地预测实际机身结构的坠撞响应，本发明提出的适坠性正向优化设计方法精确有效。

技术领域

本发明涉及机身结构设计领域，具体为一种机身结构适坠性优化正向设计方法。

背景技术

随着民用飞机的快速发展，飞机安全性的提升越来越被乘员和设计人员所关注。航空大国已把机身适坠性认定为和强度、刚度同等重要的飞机设计准则。因此，飞机适坠性优化设计已成为民用航空器设计领域的研究热点之一。为了提升机身的适坠性，美国、欧盟、中国等国家依据适航规定，分别制定了不同类型的飞机适坠性的设计标准。在各类设计标准中，乘员承受的加速度峰值和乘员承受的平均加速度均是飞机适坠性设计重点关注的指标。

近年来，飞机机身结构适坠性设计大多采用积木式方案，即材料级、元件级、结构件级、组件级、部件级、全机，并取得了诸多具有突破性的研究成果。但大多集中在前三个级别，通过坠撞实验和数值仿真技术将连接件、货舱子结构、斜撑等进行优化，设计出较为新颖的吸能结构。然而，这些吸能结构的单独设计只能独立优化机身某部分的坠撞响应，还需要考虑这些吸能元件在结构主传力路径上对机体结构整体变形模式的影响，并且这些设计大都是先对元件进行独立设计，然后放入机身结构中查看其效果再进行适坠性评估和优化，这是由先一步的元件设计来进行适坠性分析，再由适坠性分析的结果反过来优化元件，这种优化设计方法十分依托于元件本身的特性，改换元件后该方法可能不再适用，如何在设计初期抛开元件来建立系统、普适的飞机机身结构适坠性正向设计方法是目前面临的一大难题。

鉴于此，有必要提供一种新的机身结构适坠性优化设计方法，以解决或至少改善上述技术难题。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种机身结构适坠性优化正向设计方法，针对航空领域内标准通用的机身结构，该方法对该机身结构进行整体设计，通过筛选出机身客舱下部结构这个复杂系统中控制适坠性的优化设计结构参数，并确定乘员加速度峰值和平均加速度作为设计目标，建立设计目标的响应面近似模型，最后通过多目标优化手段得到最终的优化设计结构参数取值。

本发明的技术方案为：

所述一种机身结构适坠性优化正向设计方法，包括以下步骤：

步骤1：针对标准通用机身机构，以机身结构中的斜撑厚度A、货舱下方支撑件厚度B、斜撑倾斜角度C以及确定斜撑布局位置的角度D为优化设计结构参数；确定优化设计结构参数的参数取值范围；

步骤2：以乘员加速度峰值和平均加速度作为设计目标，针对优化设计结构参数，建立设计目标的响应面近似模型；在优化设计结构参数的参数取值范围内选择若干样本点，并建立机身机构有限元模型，仿真计算不同样本点下的设计目标值，结合计算结果的显著性检验结论和置信度，最终拟合得到设计目标的响应面近似模型；

步骤3：以乘员加速度峰值和平均加速度作为设计目标建立多目标优化函数

MinF(x)＝w₁f₁(x)+w₂f₂(x)

其中f₁(x)为乘员加速度峰值，f₂(x)为乘员平均加速度；w₁和w₂为对应权重；以机身机构质量不增大，乘员加速度峰值和平均加速度分别小于设定阈值，优化设计结构参数处于参数取值范围内为约束条件；