飛機翼面蒙皮亞音速顫振優(yōu)化方法技術

本發(fā)明專利技術提出基于網(wǎng)絡計算平臺的飛機翼面亞音速顫振優(yōu)化方法，可以用翼面每塊蒙皮元素作為優(yōu)化對象，同時將蒙皮的鋪層角度，鋪層厚度增量、鋪層位置選作設計變量，保證遺傳算法的搜索是在包括了所有可能解的空間域內(nèi)進行。優(yōu)化中采用雙循環(huán)流程，解決了大設計變量(＞1000)的解耦問題，同時采用“小增量填谷法”有效的避免了算法的震蕩，確保算法的高重復性。該法集成于網(wǎng)格平臺中，一方面可以解決軟硬件資源不足的問題，同時可以通過并行計算，解決遺傳算法時間過長的問題。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術是一種，屬于飛機復合材料翼面氣動彈性剪裁領域，用于飛機復合材料翼面設計中的亞音速顫振速度優(yōu)化。
技術介紹
顫振問題是飛機翼面設計的嚴重情況，特別是尾翼的主要設計約束之一。翼面往往由于顫振速度不夠，限制了飛行包線，成為了設計的關鍵。復合材料結構在飛機設計中的應用，為飛機結構技術提供了新的發(fā)展領域。即充分利用復合材料的可設計性，在滿足強度設計優(yōu)化的同時，可以進行“氣動彈性剪裁設計”。氣動彈性剪裁法是利用復合材料的各向異性及其各種耦合效應進行鋪層設計，以獲得預期的結構剛度特性，以滿足飛機對翼面顫振速度的要求。顫振是指由于氣動力、結構彈性和慣性力而引起的飛行器部件的不衰減的震動。 顫振會給飛機帶來巨大的風險，會在瞬間造成機翼的破壞。飛機翼面的亞音速臨界顫振速度與機翼翼型，支持情況、重量分布、剛度分配等相關，很難用簡單的工程方法提高翼面顫振速度。翼面的復合材料鋪層狀態(tài)會影響翼面的剛度和質(zhì)量分布，從而影響亞音速顫振速度。要通過優(yōu)化剛度分配，來得到滿足各種約束條件下的顫振速度，需利用復合材料的可設計性，用復合材料鋪層的相關參數(shù)作為設計變量。復合材料的鋪層一般涉及鋪層角度、鋪層比例、鋪層厚度，使得復合材料翼面優(yōu)化問題變得異常復雜。遺傳算法是全局性的優(yōu)化方法，也是一類可用于復雜優(yōu)化計算的魯棒搜索算法。 現(xiàn)有的利用遺傳算法進行亞音速顫振的優(yōu)化方法，減少了設計變量空間，雖然避免了過多的設計變量(大于200)帶來的優(yōu)化解耦問題，在一定程度上可以提高翼面的顫振速度，但是設計變量空間的減小，使遺傳算法種群的多樣性受到影響，可能搜索到的并不是最優(yōu)個體，對顫振速度的提高也是有限的。一些復雜情況甚至不能滿足設計要求。目前國內(nèi)外尚未有成熟的跨音速顫振優(yōu)化系統(tǒng)。在計算翼面跨音速顫振速度時， 一般跨音速顫振速度是將亞音速顫振速度除以某個系數(shù)(約1.35)，然后估算出跨音速顫振速度，因此要將亞音速顫振速度優(yōu)化至1. 35倍，才能達到跨音速的要求。現(xiàn)有的關于亞音速顫振優(yōu)化方法，在一些情況下很難將顫振速度提高到臨界值，無法滿足跨音速顫振速度要求。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術正是針對上述現(xiàn)有技術狀況而設計提供了一種飛機翼面蒙皮亞音速顫振優(yōu) 化方法，其目的是解決飛機設計中，復合材料翼面的精細高效亞音速顫振優(yōu)化問題。本專利技術提出基于網(wǎng)絡計算平臺的飛機翼面亞音速顫振優(yōu)化方法，可以用翼面每塊蒙皮元素作為優(yōu)化對象，同時將蒙皮的鋪層角度，鋪層厚度增量、鋪層位置選作設計變量， 保證遺傳算法的搜索是在包括了所有可能解的空間域內(nèi)進行。優(yōu)化中采用雙循環(huán)流程，解決了大設計變量(> 1000)的解耦問題，同時采用“小增量填谷法”有效的避免了算法的震蕩，確保算法的高重復性。該法集成于網(wǎng)格平臺中，一方面可以解決軟硬件資源不足的問題，同時可以通過并行計算，解決遺傳算法時間過長的問題。本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的該種，其步驟是(1)建立飛機翼面的三維幾何模型，包括蒙皮、長桁、梁、翼肋，然后基于該飛機翼面的三維模型建立有限元計算模型，蒙皮采用三節(jié)點和四節(jié)點的板單元建模，將主承力結構上所有的蒙皮上的板單元作為設計單元，每一個設計單元賦予一個材料屬性，材料屬性是指一種復合材料鋪層和相應復合材料的材料特性；(2)選擇需要優(yōu)化的設計變量有設計單元個數(shù)η、設計單元位置、設計單元鋪層角度α，-90°彡α彡90°，α為整數(shù)度；(3)根據(jù)選取的設計單元個數(shù)η、每個設計單元的面積si和每個設計單元的初始厚度ti，計算出設計單元的初始總體積V，權利要求1.，其特征在于該方法的步驟是(1)建立飛機翼面的三維幾何模型，包括蒙皮(1)、長桁(2)、梁(3)、翼肋(4)，然后基于該飛機翼面的三維模型建立有限元計算模型，蒙皮(1)采用三節(jié)點和四節(jié)點(11)的板單元建模，將主承力結構上所有的蒙皮(1)上的板單元作為設計單元(12)，每一個設計單元 (12)賦予一個材料屬性，材料屬性是指一種復合材料鋪層和相應復合材料的材料特性；(2)選擇需要優(yōu)化的設計變量有設計單元個數(shù)η、設計單元位置、設計單元鋪層角度 α，-90°彡α彡90°，α為整數(shù)度；(3)根據(jù)選取的設計單元(12)個數(shù)η、每個設計單元(12)的面積Si和每個設計單元 (12)的初始厚度計算出設計單元(12)的初始總體積V，2.根據(jù)權利要求1所述的，其特征在于上述步驟4 中所述的厚度Si也可以采用下式計算。3.根據(jù)權利要求1所述的，其特征在于上述步驟4 中所述的角度可以選為0°、45°、90°，得到三種敏度排序結果。4.根據(jù)權利要求3所述的，其特征在于對所得到的三種敏度排序結果可以選用一下策略按敏度正值最多；正敏度包絡面積最大；正敏度值最大中選擇出一種排序策略。5.根據(jù)權利要求1所述的，其特征在于最終將優(yōu)化后的各種鋪層角形成層合板按照三向剛度等效原則轉化成0°、士45°、90°的層合板， 該層合板的剛度特性、鋪層厚度和重量與原優(yōu)化結果的層合板相同，以保證顫振速度不變。全文摘要本專利技術提出基于網(wǎng)絡計算平臺的飛機翼面亞音速顫振優(yōu)化方法，可以用翼面每塊蒙皮元素作為優(yōu)化對象，同時將蒙皮的鋪層角度，鋪層厚度增量、鋪層位置選作設計變量，保證遺傳算法的搜索是在包括了所有可能解的空間域內(nèi)進行。優(yōu)化中采用雙循環(huán)流程，解決了大設計變量(＞1000)的解耦問題，同時采用“小增量填谷法”有效的避免了算法的震蕩，確保算法的高重復性。該法集成于網(wǎng)格平臺中，一方面可以解決軟硬件資源不足的問題，同時可以通過并行計算，解決遺傳算法時間過長的問題。文檔編號G06F17/50GK102262692SQ201110171379公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權日2011年6月24日專利技術者崔德剛, 張睿, 杜海, 熊青岳, 程文淵 申請人:中國航空工業(yè)集團公司科學技術委員會, 中航復合材料有限責任公司本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
１．飛機翼面蒙皮亞音速顫振優(yōu)化方法，其特征在于：該方法的步驟是：（１）建立飛機翼面的三維幾何模型，包括蒙皮（１）、長桁（２）、梁（３）、翼肋（４），然后基于該飛機翼面的三維模型建立有限元計算模型，蒙皮（１）采用三節(jié)點和四節(jié)點（１１）的板單元建模，將主承力結構上所有的蒙皮（１）上的板單元作為設計單元（１２），每一個設計單元（１２）賦予一個材料屬性，材料屬性是指一種復合材料鋪層和相應復合材料的材料特性；（２）選擇需要優(yōu)化的設計變量有：設計單元個數(shù)ｎ、設計單元位置、設計單元鋪層角度α，－９０°≤α≤９０°，α為整數(shù)度；（３）根據(jù)選取的設計單元（１２）個數(shù)ｎ、每個設計單元（１２）的面積ｓｉ和每個設計單元（１２）的初始厚度ｔｉ，計算出設計單元（１２）的初始總體積Ｖ，（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｕｎｄｅｒｏｖｅｒ）?（ｍｉ）＆Ｓｉｇｍａ；（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｎ（／ｍｉ）?（／ｍｕｎｄｅｒｏｖｅｒ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｓ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）公式１然后進入優(yōu)化流程，優(yōu)化流程分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)，優(yōu)化從外循環(huán)開始；（４）外循環(huán)優(yōu)化的步驟是：４．１分別在每一個設計單元（１２）的表面添加某一角度α和厚度δｉ的復合材料鋪層（５），某一角度是指復合材料鋪層角度α，－９０°≤α≤９０°，厚度δｉ是通過以下公式２計算得到：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｄｅｌｔａ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ）％（／ｍｏ）?（ｍｏ）～（／ｍｏ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（ｍｏ）％（／ｍｏ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＊（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｎ（／ｍｉ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）／（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｓ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）公式２每一個設計單元（１２）在完成添加后形成一個新的計算模型，計算模型是有限元求解軟件的輸入文件；４．２計算每一個計算模型的敏度，敏度的計算公式為：Ｓｅｎ＝Ｖｃｐｉ－Ｖｃｐ０　　　　公式３Ｓｅｎ：敏度Ｖｃｐｉ：計算模型ｉ的顫振速度Ｖｃｐ０：未添加鋪層的模型的顫振速度顫振速度的計算方法是：將模型文件提交至有限元求解軟件，根據(jù)計算結果文件，采用Ｖ－ｇ法分析得到翼面的顫振速度。敏度越大表明在相應的設計單元（１２）上添加相同重量鋪層獲得的顫振速度增量最大。４．３根據(jù)每一個計算模型的敏度，按照其數(shù)值大小將設計單元（１２）進行排序；（５）內(nèi)循環(huán)優(yōu)化的步驟是：５．１將選取的設計單元（１２）個數(shù)ｎ與設計單元（１２）的鋪層角度α進行二進制編碼作為遺傳算法的兩段獨立“基因”，基因長短與變量的取值范圍有關，兩段基因組成遺傳算法的染色體Ｘ，染色體Ｘ也稱為個體Ｘ；５．２第一代遺傳算法計算中，在染色體集中采用隨機投點的辦法，生成遺傳算法的初始種群，種群大小選為設計單元個數(shù)的１～４倍；５．３根據(jù)種群中個體Ｘ的基因，按照遺傳算法的解碼規(guī)則進行二進制解碼，得到個體的表現(xiàn)型，一個個體的表現(xiàn)型即為添加的設計單元（１２）的個數(shù)值ｍ與ｍ個設計單元（１２）添加的鋪層角度α的組合，根據(jù)每一個個體表現(xiàn)型的ｍ值，在本步外循環(huán)敏度排序中選取前ｍ個設計單元（１２），計算該ｍ個設計單元（１２）的總面積，然后得到該ｍ個設計單元（１２）的添加的鋪層厚度Δｔ，鋪層厚度Δｔ計算如下：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ）％（／ｍｏ）?（ｍｏ）～（／ｍｏ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（ｍｏ）％（／ｍｏ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＊（／ｍｏ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｏ）／（／ｍｏ）?（ｍｕｎｄｅｒｏｖｅｒ）?（ｍｉ）＆Ｓｉｇｍａ；（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｍ（／ｍｉ）?（／ｍｕｎｄｅｒｏｖｅｒ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｓ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）公式４５．４根據(jù)添加的設計單元（１２）的鋪層厚度Δｔ和設計單元（１２）添加的鋪層角度α，修改相應的設計單元的材料屬性，得到ＰｏｐＳｉｚｅ個新模型，然后計算每個模型的顫振速度，得到ＰｏｐＳｉｚｅ個個體的適應度，適應度越大，表示顫振速度越大；５．５根據(jù)適應度的大小，進行遺傳算法的選擇、交叉、...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：崔德剛，張睿，杜海，熊青岳，程文淵，
申請(專利權)人：中國航空工業(yè)集團公司科學技術委員會，中航復合材料有限責任公司，
類型：發(fā)明
國別省市：11