基于应力约束的机翼翼梁结构拓扑优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于应力约束的机翼翼梁结构拓扑优化方法，用于解决现有方法设计钉载切向应力大的技术问题。技术方案是采用三维实体单元建立钉载模型。在优化的过程中以应力为约束，约束钉载单元处的切向应力最小，用伴随法求得钉载灵敏度，并和材料用量一起作为刚度优化的约束，进行结构拓扑优化得到设计结果。该方法能够保证结构刚度性能，同时合理分配结构传力路径，避免应力集中。通过实施例可以看到，约束结构材料体分比同为0.3时，不施加应力约束结构柔顺度函数为0.0207J，施加钉载应力约束后结构柔顺度函数不变的情况下，螺栓最大切应力由17.9MPa降低到11.3MPa，降低了36.8%，降低了螺栓单元的切向应力。
【专利说明】基于应力约束的机翼翼梁结构拓扑优化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机翼翼梁结构拓扑优化方法，特别涉及一种基于应力约束的机翼翼梁结构拓扑优化方法。
【背景技术】
[0002]文献I “基于ISIGHT/NASTRAN的机翼翼梁的结构优化设计.王祥生等.飞机设计.2008.28(4):23-27.”中提出了一套基于ISIGHT/NASTRAN的机翼翼梁结构优化设计优化方法。该方法在满足机翼强度要求的情况下，在结构优化中以结构质量为目标，腹板VONMISES应力、缘条轴向应力以及缘条梁单元应力为约束。通过尺寸优化和形状优化有效地减少了梁的重量，并且满足强度要求。
[0003]文献2 “大展弦比飞翼结构拓扑、形状与尺寸综合优化设计.王伟，杨伟，赵美英.机械强度,2008, 30 (4):596-600.”提出一种可用于机翼结构布局问题两级三层的拓扑、形状与尺寸优化方法。第一级为拓扑层优化，采用拓扑优化手段得到机翼结构的大致翼梁数目与位置；第二级，形状与尺寸优化，在第一级优化的基础上，使用形状优化手段在一定范围内调整修正翼梁位置，同时进行尺寸优化。
[0004]文献I设计变量为梁单元截面参数，优化类型为尺寸优化和形状优化。设计变量受到截面参数和类型的限制，适用于结构构型已经确定的情况。优化效果有限，无法通过改变结构传力路径达到优化铆钉钉载分配的目的。
[0005]文献2公开的方法在第一层拓扑优化选用整体柔顺度为优化目标，约束材料体积分数。但是该方法在拓扑优化层并未考虑应力约束对结构的影响。提高了结构了刚度，但是会出现应力集中等情况。
[0006]飞机部件设计中涉及到的因素复杂，包括稳定性、刚度、强度、屈服等。随着飞机机动性能的不断提高，翼展也越来越大，这将导致机翼根部承受更大的载荷。由于翼型带有弯度且各处翼型厚度不同，在翼展各个部位刚度存在差别。翼梁弯曲的过程中螺栓连接的两部分间存在较大的位移差。横向的位移差导致机翼翼根处螺钉产生较大的切应力。当出现这种情况时，需要加厚蒙皮或者更换较强的紧固件来保证结构强，在设计上会产生刚度冗余。
【发明内容】
[0007]为了克服现有方法设计钉载切向应力大的不足，本发明提供一种基于应力约束的机翼翼梁结构拓扑优化方法。该方法采用三维实体单元建立钉载模型。在优化的过程中以应力为约束，约束钉载单元处的切向应力最小，用伴随法求得钉载灵敏度，并和材料用量一起作为刚度优化的约束，进行结构拓扑优化得到设计结果。在拓扑优化设计中引入该方法，能够在结构的初始设计阶段保证结构刚度性能，同时合理分配结构传力路径，避免应力集中。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于应力约束的机翼翼梁结构拓扑优化方法，其特点是包括以下步骤:
[0009]步骤一、建立拓扑优化模型，定义梁腹板为拓扑优化的设计域Ω并将Ω离散为η个有限单元，定义优化目标函数为柔顺度函数最小，约束条件为材料使用体分比小于F,单元切应力小于5:
【权利要求】
1.一种基于应力约束的机翼翼梁结构拓扑优化方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一、建立拓扑优化模型，定义梁腹板为拓扑优化的设计域Ω并将Ω离散为η个有限单元，定义优化目标函数为柔顺度函数最小，约束条件为材料使用体分比小于I7，单元切应力小于5:
【文档编号】G06F17/50GK103440378SQ201310378855
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】张卫红, 侯杰, 谷小军, 朱继宏 申请人:西北工业大学