论矩形加筋板结构优化设计范文

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对于一架典型的航空器，增加0.45kg的额外空机结构重量，大约需要增加4.5kg的飞行总重才能使其性能保持不变，可见一点非常小的多余重量就会导致航空器性能优劣出现很大差异。因此想设计出一架高效能的航空器，即能够承载高百分比的有效载荷，减轻结构重量显得尤为重要。加筋板结构，特别是复合材料加筋板结构，由于重量轻，承载能力强，因而已被广泛地应用于航空航天等工程领域，对加筋板结构进行优化设计，对减轻飞机重量具有重要的研究价值。彭春雷等通过ANSYS软件对机翼典型加筋整体壁板进行了优化设计及分析，并与原铆接壁板进行了数值比较分析；钟焕杰等研究了基于拓扑优化指导薄板加筋来实现减重效果的方法；程家林等提出了并行子空间的优化方法并对复合材料加筋板结构进行了布局优化设计。茅佳兵等对机翼的复合材料加筋壁板进行了优化设计。冯宇等对航空复合材料加筋板进行了压缩及破坏载荷，并与有限元结果进行了对比；郑俊锋等对均布平压载荷下，四边简支矩形加筋板，提出了一种基于传力路径拓扑优化的工程方法；孔斌等采用ABAQUS软件对复合材料整体加筋板轴压后屈曲失效评估方法进行了研究，并与试验结果进行了对比。本文针对直升机设计中给定的材料，载荷及边界条件情况下，对矩形加筋板进行优化设计，使设计的结构在满足重量、工艺可实施性的前提下单位重量下的承载能力最大，分析思路和方法可以为矩形加筋板的设计提供参考。

一、矩形加筋板的优化设计

矩形加筋板结构通常均由薄板和相应的加强筋组成。对薄板结构进行加筋优化处理，能够使结构在不增加重量的前提下而改善结构的承载能力，因而对加筋板进行结构优化已成为提高薄板结构承载能力的主要方法之一。薄板加筋结构可以通过改变筋条的截面形式、间距以及薄板的尺寸来满足工程实际对加筋板结构强度、刚度和稳定性等方面的要求。某型直升机结构设计中可选用的材料为钣金2A12－CZ或者复合材料3234/U3160/43，其力学性能如表1、2所示。为满足工艺性要求，钣金件需从厚度为0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm的规格中选取。筋条采用标准型材、铆钉采用常用牌号。采用单面筋条，筋条数目不限，筋条端头与腹板上、下边缘边距为2.0mm。为了使结构不破坏，结构承载能力不应小于15000N，并且结构一阶模态避开1.5Hz，重量不超过0.6kg，设计矩形加筋板结构使单位重量下的承载能力最大。

二、有限元承载能力分析

根据前述优化进行概念选型设计壁板，根据优化结果布置筋条，利用Patran建立加筋板有限元模型如图9所示，分别对壁板和筋条材料均采用金属材料（铝合金2A12－CZ）或均采用复合材料（3234/U3160/43，铺层位0和90交替铺设）进行有限元分析。底边固支，顶边和侧边约束Z向位移，顶边施加单位均布压缩载荷。筋条与壁板通过铆钉连接。假设每个铆钉重为0.5g，共50个，总重为0.025kg。结语通过对筋条的形状优化，板的拓扑优化，然后将整个加筋板的布局优化问题归整为拓扑优化和形状优化的综合问题，得到了矩形加筋板的最优结构布局，根据给定材料和载荷大小以及工艺实施性等限制条件，考核得到承载效率相对较高的设计。实际生产制造过程中还需要考虑制造经济成本等因素，但分析思路和方法可以为矩形加筋板的设计提供参考。

作者：满林涛；杨婵