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基于ISIGHT的舵面结构
多学科优化设计方法研究
李昂陈明凤刘炜
(中国航天科工二院二部)
(北京市142信箱30分箱100854)
1
摘要本文对舵面结构多学科优化设计方法展开研究,建立了优化数学模型。通过对有限元
前处理软件Hypermesh二次开发实现了舵面参数化建模。以某舵面结构为例,基于iSIGHT平台,
集成了Hypermesh,静、动强度仿真软件ABAQUS,Nastran及用户自定义程序,打通了学科间的
数字化模型接口,实现了舵面结构多学科协同优化设计。结果表明,优化后的舵面骨架蒙皮区
域质量下降了40%,颤振速度提高了400m/s,舵面结构性能得到了较大提高。该方法为后续舵
面结构设计提供了有效指导。
关键字舵面结构多学科优化设计iSIGHT协同设计
2
引言
舵面结构设计是一项复杂的系统工程,涉及多学科、多专业领域内容,如静强度、刚度、
气弹稳定性等。目前针对某个具体学科已具备相应的计算分析和优化设计的能力,但是各学科
所建立的分析和仿真模型往往是不关联的,在某个学科进行结构改进和优化后,将对其他学科
计算结果产生影响,需要各学科之间不断协调、反复计算和开展试验工作。同时,多学科间的
协同设计包含了大量的设计变量、状态变量和约束方程,各个学科模型相互交叉影响,各个设
计目标对设计变量的要求相互矛盾,这使得舵面结构的设计周期越来越长,开发成本越来越高。
因此需要探索一种适合于舵面系统的设计优化方法,打通各专业之间的数字化模型接口,实现
多学科协同优化设计。
多学科设计优化(MDO)技术能够在复杂系统的设计中考虑不同设计变量之间的耦合作用,通
过充分探索和利用系统中相互作用的协同机制,从整个系统的角度优化复杂的工程系统。该技
术的优点日益受到工程设计人员的关注,并在汽车和航空工业上有许多成功的例子。与此同时,
一些通用性多学科设计优化软件被陆续开发出来,比较著名的如Engenious公司的iSIGHT。
iSIGHT是过程集成和优化设计的通用性软件,它能够集成各种仿真代码,将各种优化算法有机
组合起来,有效地解决复杂系统的优化设计问题。
因此本文基于iSIGHT对舵面结构的多学科优化设计方法展开研究,通过对有限元前处理软
件Hypermesh二次开发实现舵面结构的参数化建模。并以某舵面结构为例,在iSIGHT软件中集
成了Hypermesh,静、动强度仿真软件ABAQUS,Nastran及用户自定义程序,打通了学科间的数
字化模型接口,实现舵面结构的多学科协同优化设计。
1.舵面结构模型
目前常见的舵面外形可简化为如图1所示的结构。其中,舵面外形尺寸、前缘条尺寸、舵
轴尺寸等受到总体输入限制,不作为优化对象;舵轴后端区域为安装扭力元件区域,一般情况
下为空心结构。因此,优化区域选择舵面的骨架蒙皮区域。
骨架蒙皮区域
前缘条
舵轴安装扭力元件区域
图1舵面结构简化模型
3
骨架蒙皮区域示意如图2所示,以某4?3型式骨架蒙皮结构为例进行优化,设计变量为横、
纵梁的形状尺寸和位置尺寸,共包含17个设计变量。设计变量说明见表1,由上至下依次为横
梁1-横梁4,由右至左依次为纵梁1-纵梁3。
yL
3U
T1Y
L3D
x
图2骨架蒙皮区域示意图
表1优化设计变量说明
结构参数说明结构参数说明
L3U纵梁3上端距后缘距离TnY第n根纵梁厚度
L3D纵梁3下端距后缘距离H4横梁4距梢弦距离
L2纵梁3与纵梁2下端间距Hx3横梁4与横梁3间距
L22纵梁3与纵梁2上端间距Hx2横梁2与横梁3间距
L1纵梁2与纵梁1下端间距Hx1横梁1与横梁2间距
L11纵梁2与纵梁1上端间距TnX第n根横梁厚度
2.数学优化模型建立
结构优化设计时,建立合适的数学优化模型是十分必要的。舵面结构多学科优化问题在数
学形式上可表达为:
寻找:x
最小化:
f?fx,y
??
?,??0??1,2,L,?约束:hxyim
i
?,??0??1,2,L,?gxyjn
j
其中:f为目标函数;x为设计变量;y是状态变量;h?x,y?是等式约束;?,?
gxy是
ij
不等式约束。状态变量y,约束
h和
i
g以及目标函数的计算涉及多个学科。
j
4
在舵面结构的优化设计中,设计变量x为骨架蒙皮区域内横、纵梁的形状尺寸和位置尺寸。
约束条件
h和
i
g主要涉及结构静强度、动强度学科,保证舵面静强度、静变形、颤振裕度满足
j
要求。在保证结构刚度和强度等条件下
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