基于復合材料飛機結構綜合優(yōu)化設計系統(tǒng)研究

李春威，馬瑛劍

(中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519090)

1 復合材料飛機

1.1 復合材料特點

復合材料是指兩種或兩種以上不同的材料通過一定的技術方法復合而成混合材料。復合材料的種類很多，在飛機中的應用非常廣泛。飛機飛行過程中，當穿越大氣層時，會有非常大的氣體壓力作用在飛機上，因此飛機使用的復合材料必須要具備一定的耐熱、耐壓力及耐高溫特性，能夠保證飛機的正常行駛。大氣中存在一定的水分、酸性和堿性物質，因此飛機結構的復合材料選擇是非常重要的。一定要全面了解各種復合材料的特性，選擇最合適的材料來制造飛機部件。

1.2 飛機結構特點

飛機的總體結構大致相似，但是不同飛機有著不同的性能和用途，在設計上存在區(qū)別，如機身、機翼、尾端、動能機構都有不同。民用、商用飛機的主體部分主要由駕駛艙、客艙兩種艙型組成，受到用途特殊性的影響，戰(zhàn)斗機和部分小型民用飛機并不設置客艙，其主體部分僅為駕駛艙。飛機機身除了裝載乘務員、乘客或其他物體之外，還起到了連接飛機與其他部分的作用。飛機飛行過程中，機翼主要起到提供升力、穩(wěn)定機身的作用，一般包括副翼、襟翼及尾翼，能夠分別起到操縱飛機轉彎和翻滾、控制飛機升降的作用，以保證飛機能夠在天空中穩(wěn)定飛行。

1.3 復合材料在飛機上的應用

飛機結構設計是航空研究和發(fā)展的重點，復合材料在飛機結構設計中得到了廣泛應用。復合材料的強度比鋼大，重量比正常金屬的重量減少了30%，將其應用于飛機結構上，可減輕機體自身重量，使整個飛行更加輕便，如樹脂應用于飛機雷達罩、整流罩上。

2 復合材料在飛機結構設計中的重要作用

增強零部件的強度、剛度和彎扭特性，使其符合飛機結構設計要求。復合材料利用先進的材料制備技術，將不同性質的材料優(yōu)化分組，形成了一種新型材料，在飛機結構設計中發(fā)揮了巨大的強化作用。在整個加工應用中，利用先進的技術手段，從不同位置、不同方向合理調整，使飛機結構中的零部件整體性能得到提升。與傳統(tǒng)的飛機結構材料相比，復合材料具備更高水平的力學性能與結構強度，兼?zhèn)漭p量化、彈性化等應用特點，對于要求標準較高的飛機來說是非常有利的。目前，復合材料已應用于高性能戰(zhàn)斗機中，合理利用其優(yōu)勢屬性，可使戰(zhàn)斗機實現(xiàn)多項新功能，如隱身、過失速飛機控制、超聲巡航等，從而強化戰(zhàn)斗機的駕駛穩(wěn)定性、飛行安全性與綜合作戰(zhàn)能力。

減輕飛機零部件的重量。在飛機結構設計中，應結合復合材料的特點，保障結構設計合理，最大化發(fā)揮復合材料的優(yōu)勢，提升飛機性能。特別是在飛機重量方面，使用復合材料制作的飛機，其重量減少了20%左右，可減輕機身慣性，提高飛機運行的安全性。飛機整體結構重量會在很大程度上影響其運行質量。而依托復合材料的性能支持，飛機的結構重量可得到大幅減少，這不僅有助于增強飛機的飛行能力，為飛機空域適應能力的進一步提高夯實基礎條件，還有助于降低飛機能耗，達到延長機體壽命、降低飛行成本的效果。

提高飛機的抗腐蝕性能和抗疲勞性能，延長飛機的使用壽命。飛機在高空飛行中容易受到腐蝕、輻射等負面影響，還有一種情況是飛機由于長時間的使用，形成磨損，表面會產(chǎn)生疲勞裂紋。復合材料的應用可以加強飛機的抗腐蝕性和防輻射性能，并能有效限制機體表面裂紋的延伸，從而將飛機因材料疲勞、腐蝕、輻射等所致?lián)p傷的程度控制在最低水平。飛機整體結構的運行安全性、使用耐久性將會得到大幅強化。

3 復合材料飛機結構綜合優(yōu)化設計

3.1 改造有限元程序，優(yōu)化結構設計系統(tǒng)

在復合材料飛機結構綜合優(yōu)化設計系統(tǒng)中，要改造原有的有限元程序，優(yōu)化結構設計系統(tǒng)。由于有限元分析程序與結構優(yōu)化設計程序的基本需求發(fā)生了變化，傳統(tǒng)的有限元程序編制方式已不適于當前的發(fā)展需要，想要擴展有限元軟件的功能，必須要掌握飛機的飛行特點，設計出符合飛機結構的軟件，以確保達到最理想的實踐成果。有限元分析技術及相關軟件工具在應用質量、操作等方面具有一定的優(yōu)勢，有限元程序的編程思想也發(fā)生了變化，以對象為特征的思想理論被廣泛應用，開發(fā)出來的優(yōu)化系統(tǒng)能夠滿足發(fā)展需求。在設計復合材料飛機結構綜合優(yōu)化系統(tǒng)時，有限元程序的設計必須滿足基本設計要求，在此基礎上將面向對象的編程思想有效融入并進行改進，通過程序語言的改編，構建出一套以面向對象為基礎特征的有限元分析系統(tǒng)與結構優(yōu)化設計系統(tǒng)。在整個設計過程中，應注意細節(jié)的把控，對于設計過程中可能存在的問題進行綜合考量，在保證飛機基礎性能穩(wěn)定的條件下，對飛機結構的基礎性能進行深入探究，設計出一套安全、穩(wěn)定、高效且完整獨立的有限元程序，以滿足飛機的實際使用需求[1]。

3.2 構造新一代以遺傳算法為基礎的結構優(yōu)化設計系統(tǒng)

遺傳算法與傳統(tǒng)算法有很大的區(qū)別，其能夠在復雜環(huán)境中進行優(yōu)化計算。這種算法主要是以概率搜索為核心，將特定的目標函數(shù)當作搜索對象，由此進行全面的搜索采集與信息處理，從而避免出現(xiàn)“局部解”的問題。在滿足有限元基礎性分析的同時，以面向對象為特征，開發(fā)出來的一種新型結構優(yōu)化設計系統(tǒng)，這對于復合材料飛機結構綜合優(yōu)化設計起到了非常關鍵的作用。為了進一步減輕飛機結構重量，在保證結構強度和剛度的前提下，廣泛應用夾層結構和衍架結構，使其能夠滿足飛機的實際運行條件。新一代的結構優(yōu)化設計系統(tǒng)不僅保留了傳統(tǒng)算法的高效性與靈活性優(yōu)勢，還應用結構重新分析技術，成功解決了有限分析的問題，并不斷優(yōu)化升級，實現(xiàn)了分析次數(shù)的低量化控制。這樣一來，遺傳算法的運算效率顯著提高，極大推動了結構優(yōu)化技術在工程中的應用與發(fā)展[2-3]。

3.3 建立復合材料層合板分析

為了滿足實際需求，要提升飛機結構中的靜力分析能力，該技術主要應用于有限單元中的第三、四節(jié)點上，在此操作過程中，要考慮此類單元復合材料的穩(wěn)定性能，按照科學鋪層的順序合理優(yōu)化設計?？蓮膹秃喜牧蠈雍习鍐卧浑A剪切變形理論角度出發(fā)，最大程度上滿足復合材料的穩(wěn)定性分析，對分析結果進行比較，將分析精度控制在理想范圍內。

4 結語

隨著復合材料技術研發(fā)工作的持續(xù)深入，相關產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，復合材料已被越來越多地應用于航空器生產(chǎn)制造中。我國最新研制的飛機實現(xiàn)了復合材料在機身、機翼等整體結構中的大規(guī)模應用，使飛機結構質量實現(xiàn)了一體化改進。將復合材料應用于飛機結構優(yōu)化設計系統(tǒng)中，改變了原有的設計程序，建立了更加多元化的結構系統(tǒng)，進一步提升了飛機結構設計水平，促進了現(xiàn)代航空事業(yè)的發(fā)展。