飞行器结构尺寸和形状优化设计的并行协同方法-飞行器设计专业论文文档格式.docx
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将飞行器结构形状优化问题分为尺寸优化和形状优化两个子问题。
将设计变量分为尺寸设计变量和形状设计变量，在优化尺寸子问题时，形状设计变量最为状态变量；
同样在形状优化子问题时，尺寸设计变量为状态变量。
经过一次迭代后，两类设计变量都得到新的值，此时用本文提出的经验中值法协调两类设计变量，而后进入下一次迭代。
最优解的判断条件是在每次迭代得到两类优化问题的目标函数值后判断它们的差得绝对值，若符合收敛条件则再判断两类设计变量值得差，只有当两类设计变量也达到收敛条件时认为优化问题得到最优解。
由此可见，本文的优化方法总体思路是先将优化问题分为两个独立的子问题：
尺寸优化问题和形状优化问题；
再将两类问题分别优化；
通过经验中值法协调统一每次迭代得两类设计变量值；
最后通过两类独立问题的目标函数和设计变量的判定来确认是否达到最优解。
本文分别对桁架结构、加筋板结构、复合材料飞机尾翼安定面结构用上述方法进行优化，结果表明该方法对于不同桁架结构形式以及不同载荷工况都有很好的通用性以及实用性，并且对加筋板以及复合材料水平尾翼的优化表明该优化方法对大规模复杂结构同样适用。
关键词：
桁架结构，加筋板结构，翼面结构，尺寸优化，形状优化，协同优化
本文工作得到教育部长江学者创新团队项目（Irt0906）资助。
本文工作在“机械结构力学及控制”国家重点实验室完成。
I
Abstract
Thestructuredesignershavebeendevotedtomakeanairvehiclewhichislighter,costingless,longerlife.Thestructureoptimizationdesignhasbeenconcernedincreasinglybytheresearchers.
Thestructuredesignoptimizationcontainssizeoptimization,shapeoptimization,layoutoptimizationandtopologyoptimization.Inthisthesis,aparallelcollaborativeoptimizationmethodofelementsizeandstructureshapeforairvehicleisproposed.Theaircraftstructureoptimizationisdividedintosizeoptimizationandshapeoptimization.Meanwhile,thedesignvariablesarealsodividedintosizedesignvariablesandshapedesignvariables.Accordingtothemethodpresentedinthisthesis,theshapedesignvariablesareasstatevariablesduringthesizeoptimization.Similarly,thesizedesignvariablesareasstatevariablesduringtheshapeoptimization.Afteroneiteration,theexperiencemiddlevaluemethodproposedinthispaperisusedtocoordinatetwokindsofdesignvariablestomakethemconsistent.Thecriterionaboutoptimalsolutionisthattheobjectivefunction’sdifferenceabsolutevaluebetweentwooptimizationproblems’islessthanagivensmallvalue.Thiscriterionisalsoneededforthetwokindsofdesignvariables.
Theoptimizationdesignofthetrussstructure,stiffenedplateandthehorizontalstabilizerofanairplanearecompletedbasedontheabovemethod.Theresultsshowthatthismethodisprovedtobegeneralityandpracticalapplicabilityfordifferentstructures,differentloadcases.Theoptimizationdesignofstiffenedplateandthehorizontalstabilizeralsoprovethismethodeffective.
Keywords:
trussstructure,stiffenedpanel,horizontalstabilizer,sizeoptimization,shapeoptimization,collaborativeoptimization
目 录
III
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2航天器桁架结构 2
1.3翼面结构型式 2
1.4结构优化设计数学模型 2
1.4.1设计变量 2
1.4.2目标函数 3
1.4.3约束条件 3
1.4.4数学模型 4
1.5飞行器结构优化设计概述 5
1.6本文主要工作内容 7
第二章 桁架结构尺寸和形状并行协同优化方法 9
2.1引言 9
2.2尺寸和形状协同优化方法 10
2.2.1桁架结构优化问题描述 10
2.2.2尺寸和形状并行优化原理 10
2.3尺寸和形状并行优化流程 13
2.4算例 14
2.4.1十二杆桁架结构 14
2.4.2空间四杆桁架结构 17
2.4.3十五杆桁架结构 20
2.4.4空间二十五杆桁架结构 22
2.5小结 25
第三章 加筋板结构并行协同优化 26
3.1引言 26
3.2加筋板模型 26
3.3加筋板优化设计模型 30
3.5加筋板优化结果 31
3.6小结 35
第四章 某飞机复合材料平尾优化 36
4.1引言 36
4.2平尾安定面几何外形及布局 36
4.3结构优化设计模型 36
4.4载荷工况及约束条件 38
4.4.1尺寸设计变量初始值 38
4.4.2形状设计变量初始值 40
4.5优化结果 40
4.6小结 42
第五章 总结与展望 43
5.1总结 43
5.2展望 44
参考文献 45
致 谢 48
在学期间的研究成果及发表的学术论文 49
图表目录
图1.1最优化设计可行区示意图 4
图2.1设计点完全在可行域内迭代示意图 12
图2.2设计点在可行域边界迭代示意图 12
图2.3尺寸形状并行优化流程图 13
图2.4ISIGHT软件平台集成流程示意图 14
图2.5十二杆桁架结构示意图 15
图2.6ISIGHT集成界面示意图 15
图2.7杆1~6尺寸设计变量寻优过程 16
图2.8杆7~12尺寸设计变量寻优过程 16
图2.9形状设计变量寻优过程 16
图2.10结构重量变化历程 17
图2.11十二杆桁架结构形状优化示意图 17
图2.13尺寸设计变量寻优历程 18
图2.14形状设计变量寻优历程 19
图2.13结构重量变化历程 19
图2.14十五杆桁架结构示意图 20
图2.15尺寸设计变量寻优历程 21
图2.16尺寸设计变量寻优历程 21
图2.17结构重量变化历程 21
图2.18十五杆桁架优化结果示意图 22
图2.19二十五杆桁架结构示意图 22
图2.20结构重量变化历程 24
图3.1加筋板初始结构示意图 26
图3.2加筋板初始有限元模型 27
图3.3加筋板初始结构工况1应力云图 27
图3.4加筋板初始结构工况1位移云图 28
图3.5加筋板初始结构工况2应力云图 28
图3.6加筋板初始结构工况2位移云图 29
5
图3.7加筋板初始结构工况3应力云图 29
图3.8加筋板初始结构工况3位移云图 30
图3.9目标函数迭代过程 31
图3.10筋条间距及筋条高度优化前后对比图 32
图3.11加筋板最优解工况1下应力云图 32
图3.12加筋板最优解工况1下位移云图 33
图3.13加筋板最优解工况2下应力云图 33
图3.14加筋板最优解工况2下位移云图 34
图3.15加筋板最优解工况3下应力云图 34
图3.16加筋板最优解工况3下位移云图 35
图4.1平尾的平面形状以及肋和梁的几何布局图 36
图4.2有限元模型及其坐标示意图 37
表2.1十二杆优化模型各参数取值 15
表2.2十二杆最优解对应设计变量取值 17
表2.3四杆优化模型各参数及取值范围 18
表2.4空间4杆最优解对应设计变量取值 19
表2.5设计变量分组 20
表2.6十五杆优化模型各参数及取值范围 20
表2.7十五杆最优解对应尺寸设计变量取值 22
表2.8十五杆最优解对应形状设计变量取值 22
表2.9设计变量分组 23
表2.10二十五杆优化模型各组许用应力 23
表2.11二十五杆最优解对应设计变量取值 24
表3.1尺寸设计变量和形状优化设计变量初始值 31
表3.2形状设计变量取值范围 31
表3.3形状设计变量对应节点编号 31
表3.4加筋板优化结果 32
表4.13种工况载荷数据 38
表4.2各
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