胡嘉桐, 王乾平, 余 明
(航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院, 西安 710089)
機(jī)翼為飛機(jī)飛行產(chǎn)生足夠的升力,是飛行的根本保證。對(duì)于大中型飛機(jī),機(jī)翼的結(jié)構(gòu)重量占起飛總重的8%~12%或結(jié)構(gòu)重量的30%~40%[1],機(jī)翼的減重至關(guān)重要。復(fù)合材料具有輕質(zhì),高比強(qiáng)度和比剛度,可設(shè)計(jì)性強(qiáng),以及制備靈活等特點(diǎn)。在機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,如何利用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì),在滿足多種約束條件的同時(shí),最大程度地減重。眾多學(xué)者專家在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面做了大量的研究探索。文獻(xiàn)[2]以板單元的鋪層總厚度和桿單元的截面面積為設(shè)計(jì)變量,給定鋪層順序和比例,將應(yīng)變和屈曲因子作為約束條件對(duì)機(jī)翼盒段開(kāi)展優(yōu)化分析。文獻(xiàn)[3]以某型無(wú)人機(jī)為例,機(jī)翼彎曲變形為約束,對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)中板殼單元的同一鋪設(shè)角的鋪層厚度以及梁?jiǎn)卧慕孛娉叽绶謩e優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)了減重。文獻(xiàn)[4]利用MATLAB以最厚鋪層從翼根到翼尖單向“抽取”的思路建立鋪層庫(kù),為減少優(yōu)化變量提出新思路。文獻(xiàn)[5]基于等效剛度模型對(duì)某大展弦比復(fù)合材料機(jī)翼進(jìn)行優(yōu)化,確認(rèn)了等效剛度模型能夠提高優(yōu)化效率。文獻(xiàn)[6]在Patran/Nastran分析的基礎(chǔ)上利用可行方向法和最大應(yīng)變能準(zhǔn)則得出加筋板各分層的最優(yōu)厚度,再應(yīng)用錦標(biāo)賽遺傳算法得出加筋板滿足工藝要求的最佳鋪層順序。文獻(xiàn)[7]提出一種復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化后處理方法,運(yùn)用多項(xiàng)式曲面擬合的方法對(duì)離散的鋪層厚度進(jìn)行連續(xù)化處理。
目前復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法在工程應(yīng)用方面中普遍存在以下幾個(gè)問(wèn)題。
(1)以層壓板和加筋板為模型建立的優(yōu)化理論,實(shí)際運(yùn)用到機(jī)翼結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)流程復(fù)雜、適應(yīng)性不強(qiáng)。
(2)采用特定的鋪層比例,將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效金屬結(jié)構(gòu),沒(méi)有發(fā)揮復(fù)合材料的剪裁設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。
(3)將同一纖維方向鋪層的厚度作為優(yōu)化變量,導(dǎo)致各優(yōu)化單元的鋪層位置分布散亂、厚度高低不平、參數(shù)“跳變”不連續(xù),引起局部“凸起”和“凹坑”現(xiàn)象,不利于工程應(yīng)用。
現(xiàn)以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),提出一種多約束條件下復(fù)合材料機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并開(kāi)發(fā)優(yōu)化程序,以某型飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼為例,得到最終的設(shè)計(jì)參數(shù),參數(shù)變化連續(xù)均勻,且滿足設(shè)計(jì)要求。
在翼盒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,約束條件種類與數(shù)量較多?,F(xiàn)對(duì)復(fù)合材料翼盒采用分層優(yōu)化的方法,使其滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和工藝性約束,流程如圖1所示。具體方法如下:第一層考慮應(yīng)力/應(yīng)變約束,對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),這一層相當(dāng)于工程上采用的結(jié)構(gòu)滿應(yīng)力優(yōu)化法,使蒙皮和長(zhǎng)桁達(dá)到滿應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)。第二層考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性約束,上下壁板蒙皮校核軸壓穩(wěn)定性和壓剪復(fù)合穩(wěn)定性,長(zhǎng)桁校核軸壓穩(wěn)定性。工藝性約束貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)尋優(yōu)的過(guò)程中,根據(jù)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)的一般規(guī)則和實(shí)際的生產(chǎn)能力建立鋪層庫(kù),作為整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的基礎(chǔ)。
1.2.1 強(qiáng)度約束
在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中通常采用許用應(yīng)力或者許用應(yīng)變作為強(qiáng)度約束條件。復(fù)合材料層壓板受橫向載荷作用時(shí),層壓板的鋪層應(yīng)力在各個(gè)分層內(nèi)線性變化,整個(gè)層壓板應(yīng)力是分段線性變化的。而應(yīng)變是層壓板厚度的線性函數(shù),在層壓板的最外層應(yīng)變最大[8]。通過(guò)有限元建模和加載分析之后輸出層壓板上/下表面(1/2板厚)處的應(yīng)變(正應(yīng)變,剪應(yīng)變)作為工作應(yīng)變,和許用應(yīng)變相比能夠直觀地反映強(qiáng)度是否足夠。
應(yīng)力分析主要依靠MSC.NASTRAN的靜力分析模塊,通過(guò)編程提取每個(gè)單元在所有工況中最大的應(yīng)力/應(yīng)變值,和許用值進(jìn)行對(duì)比,直觀地反映單元是否滿足強(qiáng)度約束。
1.2.2 穩(wěn)定性約束
(1)蒙皮的穩(wěn)定性約束。校核蒙皮單元的軸壓、剪切和壓剪復(fù)合穩(wěn)定性。穩(wěn)定性約束的目標(biāo)在于:確保機(jī)翼各結(jié)構(gòu)單元在目標(biāo)載荷下不發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而喪失承載能力。將相鄰兩肋和兩長(zhǎng)桁之間的蒙皮單元視為矩形平板,肋間距記為a,長(zhǎng)桁間距記為b,邊界條件為4邊簡(jiǎn)支。
①軸壓穩(wěn)定性。4邊簡(jiǎn)支正交各向異性矩形層壓板的軸壓屈曲應(yīng)力計(jì)算公式為
(1)
σxcr=min{σx(m=1),σx(m=2),…}
(2)
式中:D11、D22、D12、D66為層壓板彎曲剛度系數(shù);m為沿板的x方向屈曲半波數(shù);t為板的厚度。按式(2)和式(3)計(jì)算蒙皮單元軸壓屈曲應(yīng)力。提取MSC.NASTRAN計(jì)算的該蒙皮單元在目標(biāo)載荷下的最大軸壓工作應(yīng)力σx。判斷:當(dāng)σx>0時(shí),輸出“單元拉伸”;當(dāng)σx<0時(shí),計(jì)算輸出蒙皮軸壓穩(wěn)定性安全裕度MS_X。
(3)
②剪切穩(wěn)定性。4邊簡(jiǎn)支正交各向異性矩形層壓板的剪切失穩(wěn)應(yīng)力計(jì)算公式為
(4)
式(4)中:剪切屈曲系數(shù)Ks由圖2經(jīng)驗(yàn)曲線中取得。
圖2 4邊簡(jiǎn)支平板的剪切屈曲系數(shù)[7]Fig.2 Shear buckling coefficients of four-sides simply supported plate[7]
蒙皮剪切穩(wěn)定性安全裕度計(jì)算公式為
(5)
③壓剪復(fù)合穩(wěn)定性。壓剪復(fù)合穩(wěn)定性安全裕度計(jì)算公式為
(6)
(2)長(zhǎng)桁的穩(wěn)定性約束。當(dāng)復(fù)合材料長(zhǎng)桁的組成單元初始屈曲后,長(zhǎng)桁某些剖面,如組成單元交合處等位置的應(yīng)力可能高于屈曲應(yīng)力,隨時(shí)可能發(fā)生分層、基體和纖維斷裂等破壞形式,因此很難判定其是否發(fā)生了永久變形。鑒于復(fù)合材料長(zhǎng)桁的上述特點(diǎn),應(yīng)同時(shí)計(jì)算長(zhǎng)桁的壓損應(yīng)力和軸壓屈曲應(yīng)力。
長(zhǎng)桁的底緣和蒙皮相連,不會(huì)發(fā)生失穩(wěn),因此只需校核腹板的局部穩(wěn)定性。對(duì)于開(kāi)口薄壁剖面長(zhǎng)桁的腹板,一般當(dāng)作一長(zhǎng)邊自由,其余三邊簡(jiǎn)支的長(zhǎng)板處理。其軸壓屈曲應(yīng)力計(jì)算公式為
(7)
式(7)中:h為腹板的高度;t為腹板的厚度;L為腹板的長(zhǎng)度。
壓損應(yīng)變?nèi)字形長(zhǎng)桁的壓損試驗(yàn)測(cè)得值c。長(zhǎng)桁局部穩(wěn)定性安全裕度計(jì)算如下:
(8)
(9)
σcc=cExx
(10)
式中:σcc為長(zhǎng)桁腹板的壓損應(yīng)力;A11、A22為腹板面內(nèi)(x、y方向)的拉壓剛度;A12為面內(nèi)泊松剛度。
以結(jié)構(gòu)重量為優(yōu)化目標(biāo),在NASTRAN中建立機(jī)翼參數(shù)化有限元模型,考慮到復(fù)合材料面內(nèi)承載剛度矩陣(A矩陣)與鋪層順序無(wú)關(guān),將復(fù)合材料板單元的鋪層屬性簡(jiǎn)化為0°、45°、-45°、90°四大分層的鋪層數(shù),對(duì)于復(fù)合材料桿單元,根據(jù)其鋪層比計(jì)算材料的值Exx,將其等價(jià)為金屬材料,對(duì)單元面積這一設(shè)計(jì)變量進(jìn)行調(diào)整。編程調(diào)用MSC.NASTRAN結(jié)構(gòu)分析得到的應(yīng)力/應(yīng)變、位移等輸出量,在EXCEL中利用VBA模塊編寫(xiě)程序,進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析計(jì)算并輸出安全裕度,同時(shí)結(jié)合EXCEL的VBA功能進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,修改BDF文件,通過(guò)迭代計(jì)算達(dá)到優(yōu)化的目的。
根據(jù)上述思路,編寫(xiě)復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)程序,其包含結(jié)構(gòu)分析、提取鋪層信息、提取應(yīng)力/應(yīng)變、優(yōu)化調(diào)參、修改模型、強(qiáng)度/穩(wěn)定性校核幾大基本模塊。該復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)程序依托NASTRAN和EXCEL的VBA模塊的開(kāi)發(fā)。其基本運(yùn)行框架如圖3所示。
圖3 優(yōu)化程序運(yùn)行框架圖Fig.3 Program running framework diagram
第一層級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程:建立優(yōu)化模型并提交MSC.NASTRAN進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算;根據(jù)模型的優(yōu)化單元編號(hào)讀取BDF文件,提取其鋪層信息并轉(zhuǎn)化成n1/n2/n3/n4字符串;根據(jù)結(jié)構(gòu)分析得到的F06結(jié)果文件,逐工況篩選提取其最大應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的工況編號(hào);若結(jié)果不滿足強(qiáng)度約束條件,根據(jù)反饋的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果調(diào)整復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的單元屬性;修改BDF文件,進(jìn)行再次的結(jié)構(gòu)分析,直到滿足許用應(yīng)變等強(qiáng)度約束。調(diào)整復(fù)合材料板單元屬性時(shí),考慮到工藝性約束,丟層時(shí)沿機(jī)翼展向相鄰單元之間的取值只能單向增加或減小。同時(shí),采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)完成復(fù)合材料鋪層的自動(dòng)化鋪貼時(shí),考慮自動(dòng)鋪帶機(jī)本身的使用限制,例如,機(jī)翼蒙皮的局部增厚或者下陷區(qū)域不能過(guò)窄,否則會(huì)導(dǎo)致壓制輥無(wú)法將鋪層壓實(shí),影響鋪貼質(zhì)量。
第二層級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程:對(duì)已滿足強(qiáng)度約束的結(jié)構(gòu)參數(shù),依據(jù)鋪層庫(kù)(關(guān)于鋪層庫(kù)介紹,詳見(jiàn)1.4節(jié)),將單元屬性解譯成具有明確鋪層角度和順序的實(shí)際鋪層信息,編程校核蒙皮和長(zhǎng)桁的穩(wěn)定性,輸出單元穩(wěn)定性安全裕度;調(diào)整部分不滿足穩(wěn)定性約束的單元參數(shù)并重新計(jì)算,經(jīng)數(shù)次迭代之后保證所有單元滿足約束條件,完成優(yōu)化過(guò)程。
用n1/n2/n3/n4字符串表征復(fù)合材料屬性,但是它無(wú)法反映真實(shí)鋪層信息,也就無(wú)法計(jì)算復(fù)合材料剛度特性矩陣以及屈曲載荷。因此,建立鋪層庫(kù)能夠?qū)⒉牧蠈傩院蛯?shí)際鋪層信息對(duì)應(yīng)起來(lái),為開(kāi)展穩(wěn)定性分析做好準(zhǔn)備。鋪層庫(kù)的建立根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件、層壓板鋪層設(shè)計(jì)的一般原則以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),以下為鋪層庫(kù)建立原則。
(1)采用0°、45°、-45°、90° 4種鋪設(shè)方向,采用對(duì)稱均衡層壓板,成對(duì)使用45°、-45°鋪層(均衡性)。
(2)同一鋪設(shè)角的單層不超過(guò)4層,且最小層數(shù)百分比不少于8%。
(3)將復(fù)合材料板單元的屬性等價(jià)為1/n1/n2/n3/n4/1的字符串變量,分別為0°、45°、-45°、90° 4種鋪層角度的實(shí)際鋪層數(shù),字符串前后的“1”表示表面各鋪一層織物,每一組n1/n2/n3/n4均對(duì)應(yīng)一種鋪層順序。
(4)在丟層和鋪層順序設(shè)計(jì)時(shí)考慮傳載的連續(xù)性,避免在截面厚度變化處出現(xiàn)失穩(wěn)或板件折斷。
以某型飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼為算例,對(duì)經(jīng)過(guò)布局優(yōu)化的機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,驗(yàn)證本文的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。某型飛機(jī)機(jī)翼翼盒由加筋壁板、翼梁和翼肋組成,分內(nèi)、外段,內(nèi)段為三梁式結(jié)構(gòu),外段為雙梁式結(jié)構(gòu)。上、下壁板長(zhǎng)桁均為T(mén)形截面,采用T800碳纖維復(fù)合材料,長(zhǎng)桁高溫固化成型后,與濕法鋪貼的蒙皮膠接后在熱壓罐內(nèi)二次固化成型。
對(duì)某型飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼建立有限元模型,如圖4所示,在梁平面與肋平面交點(diǎn)處、長(zhǎng)桁軸線與肋平面交點(diǎn)處分別形成模型節(jié)點(diǎn),由這些節(jié)點(diǎn)形成傳統(tǒng)的自然網(wǎng)格劃分的有限元模型。沿梁高度方向?qū)⒘焊拱宸殖?份,上、下垂直緣條各占梁腹板高度的1/7。復(fù)合材料蒙皮、梁腹板和梁垂直緣條采用PCOMP單元;長(zhǎng)桁、梁水平緣條采用PROD單元。在外翼和中央翼集中對(duì)接的位置創(chuàng)建兩個(gè)重合節(jié)點(diǎn),兩個(gè)交點(diǎn)通過(guò)諸多三角板單元分別與中央翼和外翼連為一體。兩個(gè)重合節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建剛性鉸單元RJOINT,并且建立局部坐標(biāo)系,放開(kāi)某些特定自由度,用于模擬真實(shí)傳載。
圖4 某型飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼有限元模型Fig.4 Finite element model of a composite aircraft wing
優(yōu)化設(shè)計(jì)工況共39個(gè),其中穩(wěn)定俯仰工況11個(gè),急劇俯仰工況7個(gè),垂直突風(fēng)工況1個(gè),滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)工況20個(gè)。
某型飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)域:上、下翼面蒙皮;上、下翼面長(zhǎng)桁。設(shè)計(jì)變量:蒙皮厚度、長(zhǎng)桁面積。對(duì)于復(fù)合材料桿單元,設(shè)計(jì)變量為單元截面面積材料板單元,有n1、n2、n3、n44個(gè)設(shè)計(jì)變量。其中n1、n2、n3、n4必須為整數(shù);均衡鋪層要求n2=n3;對(duì)稱鋪層要求n2、n3為偶數(shù);90°鋪層不在中面,則要求n4為偶數(shù)。
機(jī)翼壁板所用復(fù)合材料為單向帶A和織物B(織物在內(nèi)外表面各鋪一層),其材料性能如表1所示。
表1 單向帶A和織物B的材料性能Table 1 Material properties of tape A and fabric B
2.5.1 強(qiáng)度約束
蒙皮和長(zhǎng)桁的強(qiáng)度許用值如表2所示。
表2 蒙皮和長(zhǎng)桁的強(qiáng)度許用值Table 2 Strength allowable value of the skin and stringers
2.5.2 穩(wěn)定性約束
蒙皮要求75%的極限載荷下局部不失穩(wěn),長(zhǎng)桁要求在極限載荷下局部不發(fā)生失穩(wěn)。
2.5.3 結(jié)構(gòu)尺寸約束
根據(jù)壁板損傷容限要求,控制加筋壁板的長(zhǎng)桁和蒙皮面積比,上、下壁板面積比約束如表3所示。
長(zhǎng)桁/蒙皮面積比λ計(jì)算公式為
(11)
式(11)中:A為長(zhǎng)桁截面積;d為長(zhǎng)桁間距,上翼面長(zhǎng)桁間距145 mm,下翼面長(zhǎng)桁間距155 mm;t為蒙皮厚度。
表3 長(zhǎng)桁/蒙皮面積比Table 3 Area ratio of the stringers and skin
上翼面蒙皮厚度區(qū)間為1.84~5.2 mm,下翼面蒙皮厚度區(qū)間為1.84~4.08 mm。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如圖5和表4所示,分別展示了上、下翼面蒙皮和長(zhǎng)桁的鋪層參數(shù)和區(qū)塊分布。應(yīng)變分析結(jié)果如圖6所示,除個(gè)別接頭單元外,上、下翼面軸壓應(yīng)變?yōu)? 500~2 700 με,剪切應(yīng)變保持在1 500 με左右,均滿足許用應(yīng)變約束。翼尖最大位移為0.76 m,結(jié)構(gòu)位移云圖如7所示。
上、下壁板蒙皮和長(zhǎng)桁穩(wěn)定性校核結(jié)果截圖取自優(yōu)化程序,如圖8所示。圖8中單元格上、下數(shù)值分別為蒙皮的軸壓穩(wěn)定性裕度和剪切穩(wěn)定性裕度,單元格上、下數(shù)值分別為長(zhǎng)桁有限長(zhǎng)腹板和無(wú)限長(zhǎng)腹板計(jì)算的軸壓穩(wěn)定性裕度。
以上分析結(jié)果表明:某型飛機(jī)復(fù)合材料外翼結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和工藝性等約束條件,驗(yàn)證了該優(yōu)化程序的可行性和合理性以及工程實(shí)用性。
本文提出的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,其具有以下特點(diǎn)。
(1)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)承載特點(diǎn)進(jìn)行靈活調(diào)整,能夠突破鋪層比例限制,發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì),開(kāi)展復(fù)合材料優(yōu)化剪裁。
(2)考慮工藝性建立鋪層庫(kù),能夠保證最終的設(shè)計(jì)結(jié)果可以生產(chǎn)制造。
(3)通過(guò)編程調(diào)用MSC.NASTRAN的分析結(jié)果文件,能夠逐工況篩選其最大應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的工況編號(hào)并輸出到參數(shù)調(diào)整界面,快捷直觀地反映是否滿足強(qiáng)度要求。
圖5 壁板蒙皮、長(zhǎng)桁參數(shù)分區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of parameterization of lower skin and stringers
表4 上壁板蒙皮、長(zhǎng)桁鋪層順序Table 4 Layup sequence of upper skin and stringers
(4)通過(guò)編程將復(fù)合材料板單元的設(shè)計(jì)變量——n1/n2/n3/n4字符串解譯,使其具有明確的鋪層順序,能夠計(jì)算該單元的屈曲載荷,計(jì)算穩(wěn)定性安全裕度,快捷直觀地反映是否滿足穩(wěn)定性要求。
圖6 上翼面壓應(yīng)變及剪應(yīng)變Fig.6 Compressive strain and shear strain of the upper plane
圖7 結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.7 Structural displacement
(5)當(dāng)存在不滿足約束的單元時(shí),修改其設(shè)計(jì)參數(shù),通過(guò)程序能夠直接修改MSC.NASTRAN計(jì)算所需要的BDF文件,提高了設(shè)計(jì)效率。
但該優(yōu)化程序在使用時(shí)需要人工干預(yù),調(diào)參時(shí)要求使用者有一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),不過(guò)對(duì)大多數(shù)飛機(jī)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),該程序簡(jiǎn)單易操作。在以后的型號(hào)研制過(guò)程中,對(duì)其不斷地完善和改進(jìn)。
圖8 上下翼面蒙皮和長(zhǎng)桁的穩(wěn)定性裕度Fig.8 Stability margin of upper and lower wing skin and stringers