一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法技術

本發明專利技術涉及一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法，以減輕飛機油箱中筋板的質量為優化目標，并輔以強度約束、燃油串油性約束，在保證設計性能不下降的情況下，實現飛機結構減重的目的；這種方法使用水平集函數來描繪承載板件的開孔，較之于主流拓撲優化方法，如變密度法、均勻化法等，可有效控制開孔邊界的形狀，保證邊界簡單、規則，明顯提升了設計方案的可制造性；同時本方法使用光滑粒子流體動力學的相關知識完成了對油箱中燃油晃動行為的模擬，在盡量減少承載板質量的前提下仍舊保持設計結果獲得良好的串油性與抑波性，從而縮短了燃油測量時間，提升了反饋速率，加快了飛機重心的恢復時間，并最終賦予飛機較好地飛行控制性能。

Light weight design method of aircraft fuel tank bearing structure considering characteristics of series oil

The invention relates to a consideration of the characteristics of oil bearing on aircraft fuel tank structure lightweight design method, in order to reduce the quality of aircraft fuel tank in stiffened plate as the optimization goal, and with the strength constraints, constraints on fuel oil, in order to ensure the design performance decline. To achieve the purpose of weight loss of aircraft structure; the method of use level set function to describe the bearing hole plate, topology optimization method, compared with the mainstream, such as homogenization method, variable density method, can effectively control the hole boundary shape, boundary, ensure simple rules, improve design for manufacturability; related knowledge and the method using smoothed particle hydrodynamics to complete the simulation of fuel sloshing in the tank, to reduce the quality of the bearing plate remain design results obtained on oil with good wave suppression, Thus, the fuel measurement time is shortened, the feedback rate is increased, the recovery time of the aircraft center of gravity is speeded up, and the better flight control performance of the aircraft is finally given.

【技術實現步驟摘要】
一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法
本專利技術屬于飛機油箱內部承載板件的輕量化設計領域，具體涉及一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法。
技術介紹
為充分利用飛機內有限的空間，現代飛機普遍在機翼中設置機翼結構油箱；這種設計極好地改善了機翼空間利用性差的窘境，明顯增加了飛機續航能力；然而機翼油箱往往涵蓋了機翼主要承力結構，這些起承載作用的結構，如縱墻、翼肋等，一般直接浸于燃油之中，在支撐機翼的同時卻阻礙了燃油的串動，延滯了重心回調時間，并最終削弱了飛行控制性能；為解決上述問題，傳統方法通常在這些板結構上選用較大甚至明顯冗余的開孔設計來提升串油性能，但這一手段又容易造成燃油液面波動加劇，延長了飛機測油時間，最終削弱飛行控制性能；同時，在維持承載結構強度不變的前提下，大冗余的開孔設計還易導致縱墻、翼肋等結構厚度增大，質量增加，常常使得設計顧此失彼；除此之外，承載板件的設計還存在另一問題：為減輕飛機質量，國內外設計者常常選用均勻化法、變密度法等拓撲優化手段完成承載結構的開孔設計，然而這一類方法均存在棋盤格結構、孔洞邊界模糊不清、孔洞形狀不規則等問題，因而使得設計結果的可制造性較差。
技術實現思路
為克服上述現有技術的缺點，本專利技術提供一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法，本專利技術方法使用基于拓撲邊界顯式表達的拓撲優化設計方法，不僅可以在維持承載結構強度不下降的前提下降低其質量，還能夠保證承載結構的孔洞邊界清晰規整，易于制造。為達到上述目的，本專利技術采取的技術方案為：包括以下步驟：1)選擇設計工況；2)設定開孔的設計變量，將設計變量儲存于向量中；3)定義承載板件上允許開孔的區域為設計區域，對設計區域進行網格劃分，依據水平集函數φ(x,y)描述開孔區域；并構建目標函數；4)進行力學優化設計和燃油流動模擬，確定約束條件并構建約束函數；5)使用有限差分法求出目標函數與約束函數對各個設計變量的偏導數，將目標函數值、約束函數值以及求得的偏導數帶入MMA優化算法中，迭代更新變量，直至目標函數在滿足約束條件的情況下收斂為止，完成設計工況下的承載板件開孔設計。進一步地，步驟3)中使用四節點四邊形網格對設計區域進行網格劃分，得到Esum個單元和Nsum個節點；構建的目標函數為承載板件的質量函數，構建步驟具體包括：301)水平集函數φ(x,y)滿足以下條件：取設計區域內坐標為(x,y)的一點，如果該點在開孔區域內，則其對應的水平集函數值大于零；如果在孔邊界上，則該點的水平集函數值為零，點在孔外則水平集函數值小于零；302)在承載板件上均勻布置nrec個矩形孔及ncir個圓孔，每個開孔分別由一個水平集函數表達，獲得(nrec+ncir)個不同的水平集函數；303)將步驟302)獲得的水平集函數整合為一體，在開孔區域內，節點的水平集函數值均被置為1，孔外則被置為0；304)定義完整無開孔的原始承載板件質量為常數M完整，則承載板件的質量函數為：其中，nw為第w號單元上四個節點中水平集函數值為1的節點個數，ρ支撐為承載板件所用材料的密度，Vw為第w號單元的體積。進一步地，步驟303)中將獲得的水平集函數分布整合為一體的具體步驟為：3031)將獲得的(nrec+ncir)個水平集函數進行以下處理：使用Heaviside函數將開孔覆蓋區域內節點對應的水平集函數值設為1，其余設為0；3032)將步驟3031)中獲得的(nrec+ncir)個開孔對應的水平集函數組裝成為一個水平集，組裝后第p個節點對應的水平集函數值φ(xp,yp)定義為：其中，φ(xp,yp)q為第q個開孔所對應的水平集函數在第p個節點上的值。進一步地，約束條件包括位置約束、形狀約束、強度約束、串油性能約束和燃油液面起伏約束。進一步地，假設承載板件為長Length和寬Width的長方形，則位置約束函數為：0≤x≤Length,0≤y≤Width；形狀約束函數為：圓孔半徑r滿足：r≥0；矩形孔長度L與寬度T滿足：L≥0，T≥0。進一步地，強度約束包括應力強度約束、疲勞強度約束與穩定性強度約束。進一步地，串油性能約束函數為t平衡≤t標準，t平衡為平衡時長，t標準為工程實際給定的燃油最大恢復時長。進一步地，平衡時長t平衡具體求解步驟包括：4011)使用SPH方法模擬出小充液比油箱燃油流動過程；4012)根據步驟a)對燃油流動模擬的結果解算出t時刻燃油的質心坐標，為時間、開孔位置和開孔形狀三者所構成的函數，將其寫為4013)構建比燃油粘稠5倍的虛擬流體，當虛擬流體所有微粒的加速度之和小于初始時刻加速度之和的1％時，則認定此時虛擬流體的運動狀態為無流動狀態；4014)假設油箱包含l個艙室，設定t時刻艙室e的燃油質心為無流動狀態下艙室e質心為構建平衡函數以衡量t時刻燃油質心的波動，表達式為：其中，為t時刻所有艙室燃油質心相對于無流動狀態下質心的平均波動幅值，V為燃油總體積；4015)如果連續三次低于標準值B標準，則取第一次低于B標準的時刻為平衡時長t平衡；B標準由實際工程給出的燃油測量允許誤差確定。進一步地，液面起伏約束函數為其中F標準為工程實際給出的燃油測量允許誤差。進一步地，假設油箱包含l個艙室，的具體求解步驟包括：4021)定義從初始時刻開始，經過燃油的平衡時長所到達的時刻為T平衡；使用SPH方法模擬出燃油流動過程，計算出T平衡時刻所有燃油微粒的位置和壓強；4022)選取T平衡時刻所有壓強為零的點作為燃油的表面微粒，設共選取表面微粒se個；在無流動狀態下選取e號隔艙任意三個不共線的點，記為Ae、Be、Ce，則T平衡時刻燃油液面微粒ie相對于平衡無流動液面的距離die為：則為：本專利技術的有益效果為：由于本專利技術方法中通過力學優化設計提升剛度和強度，通過燃油流動模擬抑制燃油波動和改善串油性能，以減輕飛機油箱中筋板的質量為優化目標，并輔以強度約束、燃油串油性約束，從而優化開孔設計，在保證設計性能不下降的情況下，減輕支撐板的質量；本專利技術使用水平集函數來描繪承載板件的開孔，使用了基于拓撲邊界顯式表達的拓撲優化設計方法，所以可以獲得開孔邊界清晰，開孔形狀簡單可控的承載結構，不僅可以在維持承載結構強度不下降的前提下降低其質量，還能夠保證承載結構的孔洞邊界清晰規整，易于制造，因此可制造性明顯好于同類拓撲優化方法；由于本方法同時考慮了油箱內承載結構質量、強度、串油性、抑波性，因此得到的設計結果即可賦予飛機良好的優良反饋能力，保證良好的飛行控制性能，同時又可以減輕飛機質量，提升飛機有效載荷與續航能力，工程優勢明顯；本專利技術應用拓撲優化方法與流體仿真技術，在提升串油性能、抑制液面波動，保證承載板件強度合乎工程要求的前提下，最大程度降低承載結構質量。進一步地，本專利技術使用光滑粒子流體動力學知識(以下簡稱為“SPH”)模擬燃油流動，保證油箱串油能力與波動抑制能力在工程允許范圍內，所以可以獲得更為真實準確的流體模擬結果，且運算量相對小，因而明顯優于同類流體模擬軟件，幫助飛機盡快恢復重心，從而賦予飛機較好地飛行控制性能。【附圖說明】圖1為本實施例基本思路示意圖；圖2(a)為15°傾斜角下30％充液比的小充液比工況示意圖，其中圖2(b)為15°傾斜角下50％充液比的中充液比工況本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法，其特征在于：包括以下步驟：1)選擇設計工況；2)設定開孔的設計變量，將設計變量儲存于向量

【技術特征摘要】
1.一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法，其特征在于：包括以下步驟：1)選擇設計工況；2)設定開孔的設計變量，將設計變量儲存于向量中；3)定義承載板件上允許開孔的區域為設計區域，對設計區域進行網格劃分，依據水平集函數φ(x,y)描述開孔區域；并構建目標函數；4)進行力學優化設計和燃油流動模擬，確定約束條件并構建約束函數；5)使用有限差分法求出目標函數與約束函數對各個設計變量的偏導數，將目標函數值、約束函數值以及求得的偏導數帶入MMA優化算法中，迭代更新變量，直至目標函數在滿足約束條件的情況下收斂為止，完成設計工況下的承載板件開孔設計。2.根據權利要求1所述的一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法，其特征在于：步驟3)中使用四節點四邊形網格對設計區域進行網格劃分，得到Esum個單元和Nsum個節點；構建的目標函數為承載板件的質量函數，構建步驟具體包括：301)水平集函數φ(x,y)滿足以下條件：取設計區域內坐標為(x,y)的一點，如果該點在開孔區域內，則其對應的水平集函數值大于零；如果在孔邊界上，則該點的水平集函數值為零，點在孔外則水平集函數值小于零；302)在承載板件上均勻布置nrec個矩形孔及ncir個圓孔，每個開孔分別由一個水平集函數表達，獲得(nrec+ncir)個不同的水平集函數；303)將步驟302)獲得的水平集函數整合為一體，在開孔區域內，節點的水平集函數值均被置為1，孔外則被置為0；304)定義完整無開孔的原始承載板件質量為常數M完整，則承載板件的質量函數為：其中，nw為第w號單元上四個節點中水平集函數值為1的節點個數，ρ支撐為承載板件所用材料的密度，Vw為第w號單元的體積。3.根據權利要求2所述的一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法，其特征在于：步驟303)中將獲得的水平集函數分布整合為一體的具體步驟為：3031)將獲得的(nrec+ncir)個水平集函數進行以下處理：使用Heaviside函數將開孔覆蓋區域內節點對應的水平集函數值設為1，其余設為0；3032)將步驟3031)中獲得的(nrec+ncir)個開孔對應的水平集函數組裝成為一個水平集，組裝后第p個節點對應的水平集函數值φ(xp,yp)定義為：其中，φ(xp,yp)q為第q個開孔所對應的水平集函數在第p個節點上的值。4.根據權利要求1所述的一種考慮串油特性的飛機油箱承載結構輕量化設計方法，其特征在于：約束條件包括位置約束、形狀約束、強度約束、串油性能約束和燃油液面起伏約束。5.根據...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李寶童，洪軍，劉宏磊，鄭帥，高坤，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61