一种基于拓扑优化的复合材料机翼结构优化方法与流程

本发明属于结构优化设计领域，具体涉及一种无人机机翼的结构拓扑优化方法。

背景技术：

1、为了进一步提高太阳能无人机的飞行高度和续航时间，因此对无人机机体结构的轻质化提出了更高的要求。对于太阳能无人机来说，机翼的结构质量在整个无人机结构中占比较大，因此降低无人机机翼结构的质量对整个无人机来说至关重要。

2、太阳能无人机为了减轻结构重量、实现更长航时的目的多采用复合材料制造；为了提高气动效率，大多采用大展弦比机翼结构，对于无人机机翼结构的强度和稳定性提出了严酷要求。在结构设计中，要满足无人机机翼结构最轻，同时兼顾机翼的强度要求是复合材料机翼结构设计的难点之一。因此太阳能无人机机翼可以通过优化设计，来最大限度的解决这个问题。

3、拓扑优化方法是一种新兴的结构优化设计方法，它可以通过单元的有无改变整个结构的材料分布，寻找结构的最优传力路径，由于拓扑优化的设计尺寸为有限元级别，所以拓扑优化的变量较多，计算精度高，能取得比尺寸优化和形状优化更好的效果。

4、当前太阳能无人机机翼采用了轻质、高比强度和高比刚度的复合材料，减重需求迫切且要求结构形式新颖，在此基础上使用能够寻找最佳承载效率结构的拓扑优化方法，能够在结构设计初期确定无人机机翼的最佳结构布局，从而达到减轻机翼重量又满足机翼强度和稳定性要求的目的。

5、航空结构的拓扑优化应用较晚，原因在于航空结构复杂，零件数量庞大，整体模型求解分析非常耗时，而拓扑优化一般需要反复迭代，进行结构的重分析，求解效率非常低，很难适应航空领域设计制造周期不断减小的趋势。随着结构优化方法的发展，目前大多数研究都是布局优化、尺寸优化与形状优化，针对太阳能无人机复合材料机翼的拓扑优化尚处于研究初期。

技术实现思路

1、本发明需解决的技术问题是提供一种基于拓扑优化的复合材料机翼结构优化方法，以提高无人机机翼结构的减重效果。

2、为解决上述技术问题，本发明采取技术方案如下：

3、基于目标结构的有限元模型，采用拓扑优化方法进行初步寻优，优化目标为结构应变能最小，优化约束为设计目标区域的体积；

4、通过最大应变准则对拓扑优化结果进行静强度校核，再对拓扑优化结果的有限元模型，进行稳定性校核，如未通过静强度校核或稳定性校核，则重新设置优化体积约束再次进行拓扑优化，迭代至优化结果符合多层约束的要求。

5、进一步的，根据拓扑优化结果分析，选取结构盈余较多的位置为优化设计区域进行人工调整，再次进行拓扑优化，判断设计区域调整后的结果是否优于未调整的结果，取减重效果的结果作为最终优化结果。

6、进一步的，机翼结构的拓扑优化模型如下：

7、f＝min(∑u)

8、

9、其中，u为整个结构模型的应变能，ε11为结构静强度分析的拉应变，ε22为结构静强度分析的压应变，γ12为结构静强度分析的剪应变，yi为材料许用拉应变，yi'为材料许用压应变，γ为结构许用剪应变，buckle_value为一阶屈曲特征值，v0为体积约束。

10、本发明与现有技术相比的有益效果：

11、本发明结合理论研究探索与工程实际应用，在拓扑优化设计中引入最大应变准则和修改优化设计区域的思想，设计了一种多层约束的方案，合理选择拓扑优化设计区域，结合了拓扑优化设计的约束与最大应变准则的约束进行优化。首先建立目标结构的有限元模型，基于拓扑优化方法进行初步寻优，然后通过最大应变准则和稳定校核对拓扑优化结果进行多重约束，确保该拓扑优化结果可以适用于工程实际应用，再基于拓扑优化结果的结构形式，结合实际结构构型，优化设计目标区域，进行有限元模型的细节调整，进一步降低拓扑优化结果的重量或提高强度。基于本发明方法能够得到符合工程要求并且承载效率较高的机翼结构，有效降低了太阳能无人机机翼结构的重量，为后续太阳能无人机结构减重设计提供了研究基础。

技术特征：

1.一种基于拓扑优化的复合材料机翼结构优化方法，其特征在于，基于目标结构的有限元模型，采用拓扑优化方法进行初步寻优，优化目标为结构应变能最小，优化约束为设计目标区域的体积；

2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的复合材料机翼结构优化方法，其特征在于，根据拓扑优化结果分析，选取结构盈余较多的位置为优化设计区域进行人工调整，再次进行拓扑优化，判断设计区域调整后的结果是否优于未调整的结果，取减重效果的结果作为最终优化结果。

3.根据权利要求1和2所述的一种基于拓扑优化的复合材料机翼结构优化方法，其特征在于，机翼结构的拓扑优化模型如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于拓扑优化的复合材料机翼结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于拓扑优化的复合材料机翼结构优化方法，基于目标结构的有限元模型，采用拓扑优化方法进行初步寻优，优化目标为结构应变能最小，优化约束为设计目标区域的体积；通过最大应变准则对拓扑优化结果进行静强度校核，再对拓扑优化结果的有限元模型，进行稳定性校核，如未通过静强度校核或稳定性校核，则重新设置优化体积约束再次进行拓扑优化，迭代至优化结果符合多层约束的要求。本发明有效降低了太阳能无人机机翼结构的重量。

技术研发人员：曹亚奇,郭伟星,侯俊平,李娜,田晓,康建雄
受保护的技术使用者：海鹰航空通用装备有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1