基于HyperMesh二次開發(fā)的飛行器尾翼復(fù)合材料建模和優(yōu)化分析

劉劍霄　李斌　杜沖

（中國兵器裝備集團(tuán)公司 長沙機(jī)電產(chǎn)品研究開發(fā)中心， 長沙410100）

摘要： 為解決飛行器尾翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模復(fù)雜、優(yōu)化工況繁瑣等問題，利用HyperMesh二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)尾翼復(fù)合材料建模優(yōu)化分析系統(tǒng).介紹該系統(tǒng)相關(guān)二次開發(fā)技術(shù)以及復(fù)合材料建模優(yōu)化分析技術(shù)，并給出應(yīng)用實(shí)例.通過該系統(tǒng)可自動(dòng)建模，自動(dòng)提交多階段優(yōu)化求解和出具結(jié)果報(bào)告，極大提高尾翼復(fù)合材料建模優(yōu)化分析效率.

關(guān)鍵詞： 飛行器； 尾翼； 復(fù)合材料優(yōu)化； 自由尺寸優(yōu)化； 鋪層優(yōu)化； 自動(dòng)建模； Tcl/Tk

中圖分類號： V215.21； TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Modeling and optimization analysis on aircraft empennage

composite based on secondary development of HyperMesh

LIU Jianxiao， LI Bin， DU Chong

（Changsha Electromechanical Product Research and Development Center， China South

Industries Group Corporation， Changsha 410100， China）

Abstract： To solve the problems of complex structure modeling and complicated optimization cases of aircraft empennage composite， an empennage composite modeling and optimization analysis system is developed using the HyperMesh secondary development technique. An application example is given to introduce the relevant secondary development technique and composite modeling and optimization analysis technique. The automatic modeling， mutistage job submission and result reporting can be implemented by the system. It also greatly improve the efficiency of modeling and optimization analysis of empennage composite.

Key words： aircraft； empennage； composite optimization； free size optimization； shuffling optimization； automatic modeling； Tcl/Tk

收稿日期： 2015[KG*9〗11[KG*9〗17修回日期： 2016[KG*9〗01[KG*9〗05

作者簡介： 劉劍霄（1983—），男，湖南新化縣人，高級工程師，碩士，研究方向?yàn)榭盏匚淦饕砻娼Y(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化，（Email） neu_liujx@126.com0引言

隨著材料學(xué)科的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料具有比重小、比強(qiáng)度和比模量大、抗疲勞、耐腐蝕、力學(xué)性能可設(shè)計(jì)，以及易于整體成型加工等特點(diǎn)，非常適合于各種飛行器的制造要求.[14]波音787和空客A350上的復(fù)合材料用量就分別達(dá)到61%和53%，復(fù)合材料的相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和軟件也越來越受到人們的重視.

HyperMesh作為一款先進(jìn)的有限元網(wǎng)格前處理軟件，提供專門針對復(fù)合材料建模的模塊HyperLaminate和復(fù)合材料鋪層定義方式ply+stack.這些模塊和功能在很大程度上提高復(fù)合材料的建模效率[5]，但是對于一些特殊應(yīng)用，相關(guān)用戶仍希望能實(shí)現(xiàn)更快的建模速度，最好能一鍵自動(dòng)生成而無須手動(dòng)操作.另外，對一些飛行器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如尾翼等，截面形狀比較復(fù)雜，一般不能直接在HyperMesh中創(chuàng)建或是創(chuàng)建過程極其繁瑣，經(jīng)常要先在其他CAD軟件中建立模型然后再導(dǎo)入到HyperMesh中劃分網(wǎng)格.劃分好網(wǎng)格后需要設(shè)置復(fù)合材料鋪層，鋪層設(shè)置需要考慮單元法向方向、材料方向、鋪層數(shù)量和優(yōu)化方案，而優(yōu)化方案的不同又會(huì)影響到鋪層方式和鋪層數(shù)量的不同.因此，即便工程師能熟練操作軟件，熟悉優(yōu)化方法和相關(guān)流程，從建模、優(yōu)化求解到獲得具體結(jié)果報(bào)告仍然需要耗費(fèi)相當(dāng)大的工作量，且工序繁多會(huì)增大人工失誤率.

本文針對整個(gè)尾翼優(yōu)化時(shí)流程復(fù)雜、效率低等問題，運(yùn)用HyperMesh二次開發(fā)技術(shù)完成尾翼建模優(yōu)化分析系統(tǒng).應(yīng)用該系統(tǒng)可以對尾翼進(jìn)行參數(shù)化自動(dòng)建模、自動(dòng)鋪層、自動(dòng)設(shè)置優(yōu)化參數(shù)提交求解并自動(dòng)出具優(yōu)化結(jié)果報(bào)告，可在很大程度上減少人工操作，既提高優(yōu)化流程效率，又降低人為失誤導(dǎo)致的偏差.

1HyperMesh二次開發(fā)介紹

HyperMesh軟件自身有一部分是采用Tcl/Tk開發(fā)的，其內(nèi)部嵌入Tcl解釋器，能夠支持Tcl/Tk的相關(guān)程序，因此可以對其進(jìn)行一些基于Tcl/Tk程序的二次開發(fā).Tcl是一種基于字符串的命令語言，由一個(gè)解釋器定義和解析，無須編譯，對每條語句順序解釋執(zhí)行，語法和結(jié)構(gòu)都非常簡單，容易學(xué)習(xí)和掌握.Tk是圖形工具包，可以創(chuàng)建一些基本圖形組件，并通過這些組件觸發(fā)相應(yīng)命令函數(shù)并完成對應(yīng)功能.[6]

HyperMesh二次開發(fā)主要通過調(diào)用其API程序接口的函數(shù)命令實(shí)現(xiàn)內(nèi)部模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建和查詢等操作.在HyperMesh中進(jìn)行的一系列操作大多有對應(yīng)的命令，可以將這些命令轉(zhuǎn)換為Tcl代碼，然后把代碼中的一些固定的硬碼改成變量參數(shù)形式，通過調(diào)用含參數(shù)的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)值的特定功能.[79]實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種：一是直接在菜單欄File下點(diǎn)擊Run Tcl/Tk Script，選擇對應(yīng)的Tcl代碼執(zhí)行，或者直接在命令欄中輸入source查找代碼路徑；二是通過修改安裝目錄下的userpage.mac文件，在Utility下的User區(qū)域增加按鈕，通過這些按鈕觸發(fā)相應(yīng)的Tcl代碼；另外，還可以運(yùn)用Process Studio進(jìn)行流程定制開發(fā).這些方法較常見，也較容易實(shí)現(xiàn)，但是不夠靈活方便，要么把代碼寫死，要么需要在彈出框中再做一些控件，操作中需要反復(fù)移動(dòng)彈出框，既影響美觀又不方便.

本文運(yùn)用稍復(fù)雜的二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)更加簡單方便的用戶功能和操作界面.首先通過相關(guān)API函數(shù)命令hm_framework在HyperMesh的菜單欄增加模塊入口選項(xiàng)，通過該選項(xiàng)對應(yīng)的hm_framework相關(guān)命令激發(fā)新的tab頁面，然后在該tab頁面內(nèi)創(chuàng)建相應(yīng)的功能模塊.調(diào)用HyperMesh相關(guān)HWTK，HWT和HW GUI Toolkit的命令創(chuàng)建相應(yīng)輸入框、圖標(biāo)、按鈕和選項(xiàng)等功能組件，將這些功能組件與相應(yīng)的Tcl代碼關(guān)聯(lián).這些代碼代表相應(yīng)的建模或優(yōu)化操作命令，所以通過點(diǎn)擊這些組件可自動(dòng)完成代碼對應(yīng)的建模或優(yōu)化操作.

將開發(fā)好的代碼打包成安裝程序，在任意一臺安裝有HyperWorks軟件的Windows系統(tǒng)上安裝該程序并生成一個(gè)“尾翼優(yōu)化”桌面圖標(biāo)，雙擊該圖標(biāo)即可打開已添加“尾翼建模優(yōu)化分析”的菜單選項(xiàng)的HyperMesh軟件，見圖1.點(diǎn)擊“尾翼建模優(yōu)化分析”的菜單選項(xiàng)，即可在tab頁面區(qū)域彈出“尾翼優(yōu)化”的功能模塊，見圖2（圖中默認(rèn)參數(shù)已被抹掉）.整個(gè)尾翼優(yōu)化流程都嵌入到該單獨(dú)的tab頁面中.該流程模塊又分為4個(gè)子模塊，在已確認(rèn)參數(shù)的情況下，僅需點(diǎn)擊每個(gè)子模塊，即整個(gè)優(yōu)化分析流程總共點(diǎn)擊4個(gè)執(zhí)行按鈕便可完成，簡潔、方便且高效.

2HyperMesh復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)

HyperMesh提供一整套復(fù)合材料建模和優(yōu)化求解方法.復(fù)合材料建模比較復(fù)雜，關(guān)鍵在于復(fù)合材料的鋪層定義.HyperMesh提供3種復(fù)合材料鋪層定義形式：PCOMP，PCOMPG和PCOMPP.PCOMP按次序直接定義鋪層；PCOMPG按全局鋪層編號定義鋪層，從而區(qū)分相鄰區(qū)域中不同鋪層間的對應(yīng)關(guān)系.這2種定義方式都不能將鋪層以三維形式顯示出來.PCOMPP以ply形式分別定義每一鋪層并以3D形式顯示出來，所以本文采用這種方式定義鋪層.圖 2尾翼建模模塊

Fig.2Empennage modeling module

關(guān)于復(fù)合材料的優(yōu)化求解，HyperMesh及其求解器OptiStruct提供一種三階段連續(xù)優(yōu)化求解方法：自由尺寸優(yōu)化、鋪層尺寸優(yōu)化和鋪層次序優(yōu)化.該三階段優(yōu)化方法依次關(guān)聯(lián)，后一種優(yōu)化需要基于前一種優(yōu)化生成的fem文件才能繼續(xù).

自由尺寸優(yōu)化階段將每一方向鋪層分成4層（默認(rèn)層數(shù)，可以更改），例如，可設(shè)置0°，45°，90°，-45°等4個(gè)方向鋪層，每個(gè)方向鋪層劃分成4層后即為16層.自由尺寸優(yōu)化結(jié)果使這16層所包含的單元區(qū)域不同，從而使得這16層疊加起來顯示出厚薄不同的優(yōu)化效果，其間需要滿足相關(guān)制造約束條件，例如：設(shè)置最小鋪層厚度，45°和-45°鋪層厚度一致，鋪層厚度不應(yīng)小于該方向鋪層總厚度的10%等.

鋪層尺寸優(yōu)化則以自由尺寸優(yōu)化的結(jié)果為基礎(chǔ)，對每一方向上的每一鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化，其間，需要給定鋪層厚度的最大值和最小值約束，通過優(yōu)化得到每一鋪層厚度的最優(yōu)值.

鋪層次序優(yōu)化是在鋪層尺寸優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上對鋪層的排列次序進(jìn)行優(yōu)化.設(shè)定最大連續(xù)鋪層數(shù)量，一般還要設(shè)置45°和-45°鋪層的平衡約束，即45°和-45°鋪層總是相鄰的.

約束設(shè)置和優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置.在本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)變量為板屬性或鋪層厚度，所以約束為體積分?jǐn)?shù)約束或應(yīng)力約束，目標(biāo)為柔度最小.

通過三階段優(yōu)化方法最終得到一個(gè)總體來看厚薄不均、有著最優(yōu)排序的復(fù)合材料鋪層優(yōu)化結(jié)果.三階段連續(xù)的復(fù)合材料優(yōu)化方法在HyperMesh中并不是必需的，也可以單獨(dú)進(jìn)行.比如，不想造成板厚薄不均的優(yōu)化效果，可以只選擇鋪層尺寸優(yōu)化和鋪層次序優(yōu)化，從而僅優(yōu)化每個(gè)鋪層厚度和鋪層次序，或僅執(zhí)行鋪層次序優(yōu)化從而保證每一鋪層厚度不變，僅優(yōu)化鋪層次序.

3尾翼復(fù)合材料建模優(yōu)化分析系統(tǒng)

3.1優(yōu)化流程及其模塊介紹

尾翼復(fù)合材料建模優(yōu)化分析系統(tǒng)利用HyperMesh二次開發(fā)技術(shù)，依據(jù)實(shí)際需求將整個(gè)尾翼建模優(yōu)化流程操作簡化到4個(gè)子模塊中進(jìn)行.這4個(gè)子模塊分別為“尾翼建?！薄斑吔缂虞d”“優(yōu)化分析”和“生成報(bào)告”，分別完成創(chuàng)建尾翼有限元模型、邊界條件加載、提交優(yōu)化求解和依據(jù)優(yōu)化結(jié)果自動(dòng)生成word報(bào)告等4項(xiàng)功能.

尾翼的截面形狀比較復(fù)雜，不容易在HyperMesh中直接創(chuàng)建，需要從外部導(dǎo)入輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)或是導(dǎo)入幾何模型生成尾翼.在“尾翼建?！蹦K，首先設(shè)置“導(dǎo)入翼型截面參數(shù)表”選項(xiàng)選擇輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)或幾何輪廓線模型，通過該選項(xiàng)自動(dòng)定義整個(gè)尾翼輪廓形狀并自動(dòng)創(chuàng)建.另外，根據(jù)設(shè)計(jì)方案不同，還設(shè)置一些可變參數(shù)，如翼墻位置定義、翼墻和蒙皮的材料參數(shù)等，所有這些參數(shù)都預(yù)先給出默認(rèn)值，最后給出優(yōu)化方案選擇項(xiàng)，默認(rèn)為三階段優(yōu)化，如果不想改變板厚和層數(shù)則可選擇僅鋪層優(yōu)化方案.點(diǎn)擊“Create”便可自動(dòng)創(chuàng)建尾翼模型.

“邊界加載”模塊提供2種方式加載：一種是默認(rèn)邊界條件的自動(dòng)加載，只需要點(diǎn)擊一個(gè)按鈕，所有邊界條件都按照預(yù)先默認(rèn)情況加載好；另一種是手動(dòng)選擇相應(yīng)節(jié)點(diǎn)施加約束和外力.

“優(yōu)化分析”和“生成報(bào)告”模塊都設(shè)計(jì)得非常簡潔，均只有一個(gè)按鈕，所有操作都由程序后臺執(zhí)行，自動(dòng)完成優(yōu)化求解和生成報(bào)告.

3.2應(yīng)用實(shí)例

以默認(rèn)參數(shù)值為例，給出一個(gè)應(yīng)用實(shí)例操作.

通過菜單欄選項(xiàng)“尾翼建模優(yōu)化分析”進(jìn)入到tab頁面的“尾翼建?！蹦K，保持默認(rèn)參數(shù)值，優(yōu)化類型則默認(rèn)為三階段復(fù)合材料優(yōu)化，直接點(diǎn)擊“Create”按鈕，可以看到在圖形顯示區(qū)域已自動(dòng)創(chuàng)建整個(gè)尾翼模型，見圖3.切換到“邊界加載”模塊，直接點(diǎn)擊“自動(dòng)加邊界條件”內(nèi)的“Create”按鈕（見圖4，相關(guān)參數(shù)已被抹掉），便可自動(dòng)加載尾翼模型的邊界條件.圖 3尾翼模型切換到“優(yōu)化分析”模塊（見圖5），直接點(diǎn)擊“提交”，立即彈出OptiStruct的求解狀態(tài)欄，顯示優(yōu)化求解的進(jìn)程和相關(guān)信息.

圖 5優(yōu)化分析模塊

Fig.5Optimization module

如果在“尾翼建?！蹦K選擇的是三階段優(yōu)化，這里會(huì)自動(dòng)以三階段優(yōu)化求解，每一階段優(yōu)化計(jì)算完成后會(huì)自動(dòng)清除模型，然后自動(dòng)導(dǎo)入這一階段生成的fem文件，接著自動(dòng)更改該文件的優(yōu)化設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行下一輪優(yōu)化，一直到3個(gè)階段都優(yōu)化計(jì)算完.若在“尾翼建?！蹦K里選擇“僅鋪層優(yōu)化”，這里則會(huì)自動(dòng)按照僅鋪層優(yōu)化提交求解.

優(yōu)化求解計(jì)算完成后便可切換到“生成報(bào)告”模塊（見圖6），直接點(diǎn)擊“Run HyperView”，程序自動(dòng)調(diào)用HyperView，自動(dòng)導(dǎo)入計(jì)算結(jié)果進(jìn)行截圖和提取數(shù)據(jù)，最后自動(dòng)生成word格式的結(jié)果報(bào)告并顯示（見圖7），內(nèi)容包括整個(gè)優(yōu)化的位移和應(yīng)力云圖及鋪層優(yōu)化等結(jié)果.

圖 6生成報(bào)告模塊

Fig.6Report generation module

圖 7Word格式結(jié)果報(bào)告

Fig.7Result report in Word format

通過該應(yīng)用實(shí)例可以看出：按照默認(rèn)設(shè)計(jì)參數(shù)，除切換模塊外，每個(gè)模塊實(shí)際只需要點(diǎn)擊1次按鈕，4個(gè)模塊總共點(diǎn)擊4次即可完成整個(gè)建模優(yōu)化求解并生成報(bào)告的流程，簡潔高效.

4結(jié)束語

闡述基于HyperMesh的二次開發(fā)技術(shù)以及HyperMesh的復(fù)合材料相關(guān)建模優(yōu)化方法，通過對尾翼復(fù)合材料建模優(yōu)化分析系統(tǒng)的定制化開發(fā)，大大簡化尾翼的建模、優(yōu)化求解和結(jié)果報(bào)告后處理過程，實(shí)現(xiàn)整個(gè)優(yōu)化流程的規(guī)范化、程序化，極大提升尾翼優(yōu)化分析效率.參考文獻(xiàn)：

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（編輯于杰）