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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

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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