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基于子模型的大型复合材料飞机结构屈曲稳定性数值分析及优化技术

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随着计算机科学和有限元技术的发展,屈曲稳定性问题有限元数值求解技术已经比较成熟,但是在大型复杂结构工程应用中还是由于计算量大、收敛困难而受到限制,特别是在需要反复迭代计算的优化过程中,更是受到该问题的困扰。针对某大型复合材料机翼结构的考虑稳定性约束条件的优化问题,提取其典型盒段进行分析技术验证,研究计算效率和精度对于单元尺寸的要求。取误差限为1%,位

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机械设计与制造一

第 2期 20 0 7年 2月

4一

Ma hn r De in& Ma ua tr c iev sc n fcu e

文章编号: 0— 9 7 2 0 )2 O O— 3 1 139(070一040 0

基于子模型的大型复合材料飞机结构屈曲稳定性数值分析及优化技术研究易龙彭云 (西北工业大学航空学院, 西安 70 7 )z 10 2 (南昌航空工业学院机械系,昌 30 3 )南 30 4Re e mh o h u kig sa i y a ay i n p i m e in o s a f e b c l t bl n lss a d o t t n i t mu d sg fa c mp st n a e n t e s b d l e h iu o o i wig b s d o h u mo e c nq e e tYIL n E o g, NG Yu P n

( col f eoat sN r w s r o tcncl iesyXin70 7, hn) Sho o rnui, ot et nPl eh i vri, ' 10 2 C ia A c h e y a Un t a( e a me t f c a ia E gn eig N n h n ntueo eo a t a T cn lg, a c a g3 0 3, hn ) D p r n o h ncl n ie r, a c a gIs tt f rn ui l eh ooy N n h n 3 0 4 C ia t Me n i A c

}【要】 摘随着计算机科学和有限元技术的发展,屈曲稳定性问题有限元数值求解技术已经比较成熟,} j但是在大型复杂结构工程应用中还是由于计算量大、收敛困难而受到限制,特别是在需要反复迭代计算的优 j;化过程中,更是受到该问题的困扰。针对某大型复合材料机翼结构的考虑稳定性约束条件的优化问题,提取{ . f其典型盒段进行分析技术验证,研究计算效率和精度对于单元尺寸的要求。取误差限为1位移计算模型单十%,

i元尺寸要求为 1 m而 5 m,屈曲临界栽荷系 0数计算模型单元尺寸要求为 1 m 0。采用 10 m的单元尺寸建立 i m 5r n t全结构模型进行位移求解,将位移计算结果应用于采用单元尺寸 lm O m建立的危险部位子模型进行稳定性+ I求解,完成某复合材料机翼结构打样阶段优化设计,结构总质量较初始设计减轻 2%, 4在满足精度要求的同I{, -计算效率显

著提高。时 ;

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关键词:有限元法同曲稳定性;子模型;优化设计.

{

i uitiadlefmtccqne l iiil tu;blsih6vatcus neremoh伽e n n 【gtytepn pre fem h n m si t k erd on a il t s o i o bal h e e na c en i B t l tb e o e o e f a d w w e i I cscts肌oh o ei勰ute1t,lte tj Ar】 e m m c d kn de ee eo lad op xtc r,e ue epni d ov g c.nh po so ri m utnoot I n m l r te b asot ed g n ne e eIt r e i av c pti rp— c esu u s c h s n a c r n e c s t te o aof i f fe,

{ms tdtaipasr p ms nac o gbt{}cg,snneecyv.to udg ol ptiset m hcvg el eIet ioego sw j o bli m ir si e h i e n mi nuc udt i a t s le n m k g Ys i sa e n d n s 0 f r e e i 舭to ,舭w utschlnierm hy l打uo n b ra e t qe i幻 p c e hi i eh e r舭 i g l or m z f o e f cp t i r s nade c ny H h r r i t e t o m u t npeio n f i c. e tee o l ii st o o ao ci f e i r m s %, n em dl i l n s eo i adt oe wt e m t i h h e z f e{ 5m /b s i ̄ i ed p cm n bt1 m t b kn a c rI t ae t i } 1 m c/ e a f tnt t i l e e, u 0 u lgl f t. n h p r h w gi 0 a t, s o oh s a t m o c i o ao i p, e n s d s

中图分类号: 22 1文献标识码: 04 . 2 A

1引言

本文针对某大型复合材料机翼结构的考虑稳定性约束条件

提取其典型盒段,研究了计算效率和精度对于网格复合材料结构具有重量轻、比强度高、比刚度大、耐疲劳性、的优化问题,

发现在相同的网格密度情况下,计算所得屈曲临界耐腐蚀、易剪裁等一系列优点,能极大的提高材料的有效利用率密度的要求,和减轻结构的重量,目前已广泛应用于航空、航天结构和民用领载荷系数结果的误差远远大于位移结果误差。本文利用验证结域中。工程中广泛使用复合材料板壳结构。飞机翼和尾翼上果建立较为粗糙的全结构模型进行静力分析获得满足精度要求如机

的翼面壁板、腹板和复合材料集装箱的端板、侧板,当它们受压的位移结果,并将此结果作为边界条件施加于局部危险部位,建缩、剪切、弯曲和扭转等载荷作用时,最常见的失效模式为屈曲。立细化网格的子模型完成稳定性分析和优化设计,从而大大减 因此,保证结构的安全,为了需要进行屈曲分析。 板壳结构不仅指板件、曲壳,还包括板或壳组成的薄壁构件以及由薄壁构件组成的结构等广义板壳结构。近年来,计算随着机和有限元方法的迅猛发展,形成了许多实用的分析程序,提高了对工程结构进行屈曲分析的能力和设计水平I。但是对于大

少计算量,优化效率显著提高。

2优化公式描述非线性响应的结构优化问题可用通常的模式表达为

mn i imz i e

(, b U)

() 1 () 2

uj to (, S I1 e N型复杂结构,屈曲稳定性有限元分析计算效率较低,特别在优化 sb ct 0b U) 0=,C迭代过程中,更是会大大增加计算时间。十来稿 1:060— 5 3 20— 82期

同时还要满足平衡方程‘(,= ( q b‘ O结构未失效) )或者 Q

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