民用飛機球面框的優(yōu)化和方案設(shè)計

李　旭，晨　曦，孟　超

(1.中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽 110179； 2.沈陽航空航天大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110136)

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民用飛機球面框的優(yōu)化和方案設(shè)計

李旭1，晨曦1，孟超2

(1.中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽 110179； 2.沈陽航空航天大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110136)

機身球面框是民用飛機機身增壓艙的端框，是飛機的主要結(jié)構(gòu)部件。球面框復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和裝配要求，極大地增加了設(shè)計難度。在某型號飛機的概念設(shè)計階段，基于先進的OptiStruct優(yōu)化技術(shù)，對球面框初始構(gòu)型進行了拓?fù)鋬?yōu)化。參照優(yōu)化后的密度云圖，調(diào)整經(jīng)向加筋的結(jié)構(gòu)位置，給出3種滿足強度要求和剛度要求的初始設(shè)計方案。使用MSC.Patran建立細(xì)節(jié)有限元模型模擬3種方案，計算每個球面框方案在增壓載荷工況下的應(yīng)力分布，為后續(xù)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

民用飛機；球面框；優(yōu)化；有限元；應(yīng)力

在民用飛機機體結(jié)構(gòu)中，球面框位于前、后機身，是機身增壓艙的端框，主要承受機身客艙內(nèi)的增壓載荷。大曲率的半球形殼體通過薄膜應(yīng)力來承擔(dān)壓力載荷，比平面框結(jié)構(gòu)效率高。但由于球面框位于前、后機身收縮段，復(fù)雜的機體結(jié)構(gòu)外輪廓面使球面框為多曲率的曲面，同時球面框的設(shè)計還需要考慮裝配、制造和維護要求，這些都增加了球面框的設(shè)計難度。目前國內(nèi)外學(xué)者對球面結(jié)構(gòu)的研究取得了巨大進展，獲得了很多優(yōu)秀成果[1-6]。

專業(yè)強度分析軟件和優(yōu)化軟件的不斷開發(fā)和使用，彌補了理論分析在工程項目中難以簡單應(yīng)用的不足。在現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段，設(shè)計人員除了依靠工程經(jīng)驗確定結(jié)構(gòu)部件的初始結(jié)構(gòu)形式外，越來越趨向于將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模型化[7-10]，在初始細(xì)節(jié)模型基礎(chǔ)上進行靜強度分析和優(yōu)化設(shè)計，對結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化調(diào)整，使結(jié)構(gòu)分布更加合理。Altair OptiStruct是以有限元法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工具，提供拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及自由尺寸和自由形狀優(yōu)化技術(shù)[11-12]。在概念設(shè)計階段可以對產(chǎn)品總體構(gòu)型進行優(yōu)化；在詳細(xì)設(shè)計階段可以對產(chǎn)品尺寸和形狀進行優(yōu)化，幫助設(shè)計工程師找到更好的設(shè)計方案。本文應(yīng)用OptiStruct優(yōu)化技術(shù)對球面框進行拓?fù)鋬?yōu)化分析，依靠工程經(jīng)驗和分析結(jié)果，調(diào)整結(jié)構(gòu)布局，給出3種滿足強度要求和剛度要求的球面框概念設(shè)計方案，支持后續(xù)的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計工作。詳細(xì)設(shè)計階段球面框的強度分析可參考文獻(xiàn)[13]和[14]。

1　結(jié)構(gòu)和載荷

球面框是機身增壓艙的端框，將機身氣密區(qū)與非氣密區(qū)分開，承受客艙內(nèi)的增壓載荷并將其承受的載荷通過連接傳遞給機身。球面框由環(huán)框、球皮、經(jīng)向加筋、頂蓋以及破損安全環(huán)形帶板等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1　球面框結(jié)構(gòu)示意圖

在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段，外載荷輸入數(shù)據(jù)不全，球面框的設(shè)計載荷為純氣密增壓載荷。參考文獻(xiàn)[15]給出局部球皮單元應(yīng)力水平為：

(1)

式中σ1為經(jīng)向膜應(yīng)力；σ2為環(huán)向膜應(yīng)力；q為氣密增壓載荷；R為球皮單元局部曲率半徑；t為單元厚度。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1優(yōu)化方法

優(yōu)化設(shè)計有三要素：設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。優(yōu)化的過程就是尋求理想的設(shè)計變量值，在滿足約束條件情況下，實現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計目標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型可以用目標(biāo)函數(shù)表示為

f(X)=f(x1,x2,…,xn)

(2)

優(yōu)化設(shè)計的約束條件為

gj(X)≤0j=1,2,…,m

(3)

(4)

文獻(xiàn)[5]、[6]給出球面結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析方法，關(guān)于更多的OptiStruct優(yōu)化理論和有限元分析方法參考文獻(xiàn)[11]、[12]。

2.2優(yōu)化分析

根據(jù)后機身曲面尺寸、裝配、制造等要求，確定球面框的球面構(gòu)型，多曲度球皮結(jié)構(gòu)如圖2所示。在球面構(gòu)型基礎(chǔ)上，使用OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化分析，規(guī)劃球面框經(jīng)向加筋位置，其中球皮材料2024-T42，規(guī)范AMS-QQ-A-250/5。為了確保結(jié)構(gòu)具有足夠剛度，定義球皮單元初始厚度8 mm。

圖2　球皮結(jié)構(gòu)

基于優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，定義優(yōu)化目標(biāo)是體積最小化，約束條件是球面框的最大位移不超過設(shè)計值，設(shè)計變量為單元密度。在球面框的概念設(shè)計優(yōu)化分析中，考慮純氣密增壓載荷0.082 8 MPa正壓條件下，最大位移不超過6 mm的球面框的優(yōu)化分析和后續(xù)的靜強度分析。細(xì)節(jié)有限元模型的分析區(qū)域為球面框的內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)域，定義邊界條件是限制球框邊緣節(jié)點的6個方向自由度。

通過對比球面框上球皮多個位置的曲率半徑，可知球皮左右兩側(cè)區(qū)域局部半徑較大，球皮單元應(yīng)力會大于其他位置。圖3給出使用OptiStruct進行拓?fù)鋬?yōu)化5次迭代后的密度云圖，顯示迭代計算后的密度調(diào)整情況，低密度區(qū)的結(jié)構(gòu)厚度可以進一步減小。通過優(yōu)化分析的密度云圖，可以得到具體需要加強的位置和可減少厚度的位置，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品減重。

圖3　密度云圖

2.3方案設(shè)計與分析

經(jīng)向加筋是球面框的主要結(jié)構(gòu)單元，對球面框起到經(jīng)向加強支持作用，提高球皮的穩(wěn)定性和抑制球皮裂紋擴展。在概念設(shè)計階段，結(jié)合工程經(jīng)驗和優(yōu)化分析結(jié)果，給出3種經(jīng)向加筋結(jié)構(gòu)布置方案，對比3種方案的應(yīng)力水平分布，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

方案一，經(jīng)向加筋的分布方式為12根加筋均勻分布，如圖4所示。通過靜強度分析得到球面框分析區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力水平分布，如圖5所示。最大應(yīng)力位置在水平加筋下側(cè)，應(yīng)力值為129 MPa，滿足靜強度設(shè)計要求。

圖4　典型加筋位置

方案二，結(jié)合優(yōu)化分析的密度云圖，在方案一的基礎(chǔ)上，使球面框左右兩側(cè)水平加筋向下偏移5°，將水平加筋布置在高密度區(qū)域，提高筋條結(jié)構(gòu)效率，結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。通過靜強度分析得到球面框分析區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力水平分布，如圖7所示。最大應(yīng)力位置在水平加筋下側(cè)，應(yīng)力值為120 MPa，滿足靜強度設(shè)計要求。

圖5　應(yīng)力云圖

圖6　方案二的加筋位置

圖7　方案二的應(yīng)力云圖

方案三，根據(jù)優(yōu)化分析的密度云圖，整體調(diào)整經(jīng)向加筋的位置，在高密度區(qū)域充分展現(xiàn)加筋的結(jié)構(gòu)效率。首先將左右3號、4號加筋布置在圖3的高密度區(qū)域，3號加筋由圖4中的水平加筋位置向上旋轉(zhuǎn)18°，4號加筋由水平加筋位置向下旋轉(zhuǎn)16°，其他加筋均布在球皮結(jié)構(gòu)上，如圖8所示。通過靜強度分析得到球面框分析區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力水平分布，如圖9所示。球面框最大應(yīng)力位置發(fā)生在優(yōu)化分析中的高密度區(qū)域，最大應(yīng)力值為108 MPa，滿足靜強度設(shè)計要求。

圖8　優(yōu)化的加筋位置

圖9　方案三的應(yīng)力云圖

3　結(jié)論

結(jié)合工程經(jīng)驗和優(yōu)化分析結(jié)果，共給出了3種經(jīng)向加筋結(jié)構(gòu)布置方案。通過細(xì)節(jié)有限元模型模擬計算可知3種方案基本滿足靜強度設(shè)計要求。

從工程制造裝配來看，方案一便于經(jīng)向加筋在球皮上的定位和連接，很多機型的球面框都采用均勻?qū)ΨQ布置經(jīng)向加筋。在方案三中，每個加筋都具有一定角度，加筋的位置相對其他兩個方案較難定位，增加了工裝設(shè)計和裝配難度，提高了制造成本。

從強度分析角度看，對比3個方案應(yīng)力水平，方案三的應(yīng)力水平分布更均勻，應(yīng)力值更小?；谕?fù)鋬?yōu)化結(jié)果調(diào)整經(jīng)向加筋布置，可以使球面框應(yīng)力水平分布相對均勻，有效地增強了球面框的強度和穩(wěn)定性，提高了筋條的結(jié)構(gòu)效率。

球面框是機身氣密艙的主要結(jié)構(gòu)，球面框結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力水平的分布除了與結(jié)構(gòu)尺寸，如曲率半徑、厚度有關(guān)，還與球皮上的系統(tǒng)開口、球面框與機身地板的連接等有關(guān)。在飛機項目概念設(shè)計階段，基于總體理論構(gòu)型，可以先根據(jù)工程經(jīng)驗和先進的強度分析軟件，如MSC.Patran，Altair HyperWorks等給出一種或幾種初始結(jié)構(gòu)方案。隨著項目研制工作的推進，再根據(jù)詳細(xì)的系統(tǒng)安裝、裝配、制造等結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和強度設(shè)計要求，選取相對合適的結(jié)構(gòu)方案。如果偏重考慮裝配和工藝性，可選取方案一的垂直、水平加筋布置，這種布置易于工裝定位；如果偏重考慮系統(tǒng)安裝和強度設(shè)計要求，可選取方案三協(xié)調(diào)布置加筋位置，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減輕重量。

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(責(zé)任編輯：吳萍英文審校：趙歡)

Optimization and design of spherical frame at civil aircraft

LI Xu1，CHEN Xi1，MENG Chao2

(1.Research and Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company Ltd.,Shenyang 110179,China;2.College of Science,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The spherical frame is the bulkhead of pressure cabin at civil aircraft,which is a major part of fuselage structure.The complicated configuration and assembly requirement of spherical frame remarkably increase the difficulty in design.The initial configuration of spherical frame was topologically optimized based on the advanced OptiStruct technique in the initial stage of structural concept design.According to the density plots,the structural locations of meridian stiffeners were adjusted,and three initial project designs were proposed to meet the requirements about strength and rigidity.Detailed finite element model was built to simulate the spherical frame of fuselage using MSC.Patran through the three designs,and the stress distribution under the pressurized load was respectively calculated for the designs,which provides the data support for detailed structure design in the future.

civil aircraft;spherical frame;optimization;finite element;stress

2015-12-15

李旭(1983-)，女，遼寧錦州人，工程師，主要研究方向：飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計，E-mail:li.xu@sacc.com.cn。

民用航空與安全工程

2095-1248(2016)04-0085-04

V223

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.04.015