无人机主承力盒段结构设计中应注意的问题_图文

1、设计与技术第二届无人机发展论坛论文集无人机主承力盒段结构设计中应注意的问题邓扬晨陈华马明亮摘要：构建盒段模型用以揭示机翼结构中存在值得探讨的专题。以结构稳定性作为切入点，利用多格薄壁盒来模拟机翼结构的主要承力部分，既能够保留问题实质又降低复杂性。模型曲线形状表明：该优化问题为非凸不连续，具有多个局部最优解；优化结果指出：（）替换材料，（）增减载荷大小，（）改变几何参数，最优结构拓扑形式均要发生变化。因此，无论从学术研究还是工程应用，基于稳定性约束的机翼结构优化均是一个值得研究的内容。一、引言在工程领域存在大量的结构优化问题，对于航空领域的飞机结构设计，采用拓扑优化、几何与尺寸优化，取得了十分显

2、著的效果。再结合先进的材料和制造工艺技术，使得飞机结构重量系数从过去的下降到目前的，这一巨大成果获得的原因之一，是现代数值优化手段与有限元方法结合这一思想得到了成功的应用，而常规的传统设计手段已经无法满足现代飞机设计的高性能、轻重量、低成本以及越来越短的研制周期等若干需要。目前，采用拓扑优化用于飞机翼面的结构布局研究，只有纵向构件（翼梁或者翼墙一类的承力件）能够利用最小柔顺性得到；而横向的翼肋构件却无法给出，究其原因，是因为翼肋对机翼的柔顺性减小所提供的贡献太小。以往，工程研究部门设计飞机结构时，以机翼设计为例，先根据工程经验和参考类似的机种或称原准机，确定出多种结构布局方案，筛选出一、二种做

3、进一步的设计，用于比较优劣。随着计算机软、硬件的飞速发展，采用优化和有限元技术来确定结构的有关参数，以保证强度、刚度和稳定性等一些要求与限制已经成为可能。这样得到的方案尽管可以称为优化设计，但是，还会让人提出这样的问题：无人机翼面结构设计是否存在最佳的骨架个数？由经验确定的纵横骨架个数是否为最佳？假使原准机是最优的，新的设计由于机翼尺寸的改变，载荷的变化以及选材的不同等因素的影响，最佳的骨架个数是否发生变化？本文以稳定性条件为切入点，通过构建一个特殊的多格薄壁盒段作为无人机主承力盒段结构的简化模型来研究上述问题，利用所得结果来试图研讨和回答上边的这个问题。二、机翼薄壁盒模型飞机翼面结构可以划分

4、为梁式，单块式和多墙式等结构形式，为了便于统一和简洁，可以将其部分主要承力盒段简化视为由纵横骨架和上下壁板组成的盒结构，见图。为了使模型简单又能说明问题，将壁板的筋条改为隔板，并认为梁的缘条已经折算到壁板里；同时，令所有隔板厚度（纵横骨架）与上下壁板厚度进行变量链化，这里取两者的厚度相同，这样就简化为第二届无人机发展论坛论文集设计与技术一元优化问题了。另外，为了使优化问题具有解析式，载荷为纯弯曲形式，见图。，三图多格薄壁盒模型图厚度与体积关系曲线壁盒段横向宽度的改变。作者将上述问题转化为数学优化问题如下：最小化砌，）满足三：三三：萎其中（）删现侈万加鼬机胁（小咖万吒作而，万失宵可丽将（）式代入

5、（）式，可得本文的物理问题叙述如下：寻找出满足壁板总体和局部失稳限制下的结构最小体积，板厚，纵横隔板的个数。并围绕下列四种情况探讨对本问题最佳解的影响：（）结构材料的改变；（）外载荷大小的改变；（）薄壁盒段纵向长度的改变；（）薄附（班厶伊胁引嚣扩卜拼加（鬈卜万（）其中，勋，（万）表示翼盒模型材料的体积；作和失以及失分别表示该模型受压壁板中的工作应力和总体失稳应力以及局部失稳应力；三和分别表示翼盒的长度与宽度；，和分别表示翼盒的肋距与梁距；表示翼盒的高度；和尸分别表示杨氏模量与外载荷；，和，分别表示受压壁板的剖面积与惯性矩。这里，总体和局部失稳公式选用针对薄板四边简支的情况：加，（）为向下取整算

6、子，例如：，（）；加，（）等等。三、算例已知：，尸，见图，求：（），壁板的厚度和纵横隔板个数。弘豫蕾笠”设计与技术第二届无人机发展论坛论文集将已知代入（）式，可得场，（万）（）（万）万（）经过初步分析，易发现式（）不但不可导，而且还不连续，同时又具有若干个局部最优解。用优化工具箱进行数值迭代表明：直接用数学规划的一些优化算法求解效果很差，甚至无法找到最优解。针对本题特点，可采用作图求解，利用中的内部函数命令，将式（）按照其要求的格式输入，就可方便地获得式（）所表达的厚度与结构体积的关系曲线，如图所示。同样地，（）改变结构模型的杨氏模量，例如分别取钛合金和钢合金，见表的第一列；（）改变结构模型的

7、载荷数值，见表的第二列；（）改变结构模型的长度，见表的第三列；（）改变结构模型的宽度，见表的第列。这对这四种情况，按上述方式作图，所得到的厚度与结构体积的关系曲线形状与图类似，这里从略，它们所对应的最优解数据可以参见表表。结构材料改变带来的最优解影响见表；外载荷值改变引起的最优解影响见表；纵向长度改变引起的最优解影响见表；横向宽度改变引起的最优解影响见表。表不同材料的最优解情况材模甚最优结果料（）体积（）厚度纵隔板数横隔板数（）铝钛钢表不同载荷下的最优解情况载衙最优结果（）体积（）厚度（）纵隔板数横隔板数表不同长度下的最优解情况长度最优结果（）体积（）厚度（）纵隔板数横隔板数表不同宽度下的最优

8、解情况宽度最优结果（）体积（。）厚度（）纵隔板数横隔板数四、讨论从图可以看确实存在一个全局最优厚度，小于此厚度值时，由于稳定性的限制，纵横隔板的个数要增多，材料用量要增加；大于此厚度值时，尽管提高了稳定性，纵横隔板的个数减少了，可是，承力壁板的材料用量增加了。也就是说：承力壁板与纵横隔板之间的材料用量存在一个最佳比例。推而广之，与这一简单模型相比，复杂的飞机机翼结构设计也会存在类似的一个最佳比例，只是寻找它要困难得多。作者认为：难点主要在于这是个拥有多变量、非凸且不连续的目标函数以及隐式约束的混合变量非线性优化问题，而本模型只是在暴露问题的实质时，巧妙地将上述难点回避了。通过简单的盒段模型去揭

9、示复杂的机翼结构存在值得探讨的问题，这也正是构建本文模型和开展这一研究工作的目的所在。另一方面，也说明利用稳定性条件可以初步确定第二届无人机发展论坛论文集设计与技术机翼结构布局中的翼肋根数问题，而这正是飞机结构概念设计中一个十分棘手的问题。从表表的最优结果可以看到：无论是替换材料还是增减载荷大小或者改变几何参数的尺寸，该结构的最佳拓扑形式均要发生变化，即纵横隔板数发生了改变。这里讨论的四种情况基本上是针对飞行器翼面结构设计或者是在改进改型背景下提出的，这些结果对翼面结构设计具有一定的参考价值。最明显的例子是在改型设计时，常常采用高比刚度和高比强度的复合材料替换原金属材料，或者用钛合金替换钢材料

10、，而骨架不动，从优化的角度来说，骨架有可能需要增减，当然，没有改动的主要原因是经济性因素，例如：需要考虑重新设计模具的费用等。五、结论通过本文构建的简单模型所得的结果，可以推知：（）基于壁板稳定性约束的飞行器翼面结构设计是一个多变量、非凸不连续，并具有隐式约束的混合变量的非线性优化问题，该问题应该具有全局最优解。因此，无论从学术研究角度还是工程应用方面，它均是一个值得研究的专题；作者认为应该优先考虑尝试非敏度算法，例如：遗传算法，模拟退火法等。（）为翼面结构在概念设计阶段确定横向构件个数，指出了一种值得尝试的方向。（）对于机翼结构的改型设计，替换材料时，如果可能的话，骨架的布局是需要修改的。致谢：本文得到航空科学基金（）和辽宁省科学技术航空专项基金（）的部分资助。参考文献邓扬晨、张卫红、万敏、章怡宁：“飞机活动翼面的结构布局方法研究”，力学与实践年期，。，冯元生，郑锦榕，陶梅贞，王太文，谢德康：飞机结构设计，国防工