基于等效刚度矩阵的复合材料机翼盒段优化设计

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1、第43卷第4期2011年8月南Journalof京航空航天大学学报NanjingUniversityofAeronautics＆AstronauticsV01．43No．4Aug．2011基于等效刚度矩阵的复合材料机翼盒段优化设计唐振杰李玉龙(西北工业大学航空学院，西安．710072)摘要：通过刚度矩阵转换，将复合材料层舍板等效成正交各向异性材料板，并采用beam单元模拟加筋桁条。将机翼盒段的蒙皮厚度和加筋桁条面积作为设计变量，机翼盒段的质量作为目标函数，运用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合的优化方法

2、，对多变量、多约束条件下的大展弦比复合材料机翼进行结构优化设计．通过算饲分析，机翼的复合材料结构质量下降了9．55％，优化时间较短。关键词：刖度矩阵；多岛遗传算法；序列二次规划算法；结构优化设计中图分类号：VZl4．8文献标识码：A文章编号：1005—2615(2011)04．0521一05OptimizationDesignforBoxofCompositeWingBasedonEffectiveStiffnessMatrixTangZhe’tjie，LiYulong(sch001ofAeronauti

3、cs，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an。710072．Chi肌)Abstract：Basedonstiffnessmatrix，themodulusofcompositelaminateistranslatedtothemodulusoforthotropicplateandthestiffenersareidealizedasbeam．Inthemethodofcombiningmulti—islandgenet—icalgorithmwithseque

4、ntialquadraticalgorithm，thethicknessofpanelsandtheareaofstiffenersarere—gardedasdesignvariablesandtheweightoftheboxofcompositewingasobjectiVefunctiontodesignthestructureofahighaspect—ratiocompositewingwithmultiplevariablesandconstraints．Thenumeri—calexamp

5、leshowsthattheweightofthecompositestructureisreducedby9．55％andtheoptimizedtimeisrelativelyshorter．Keywords：stiffnessmatrix；multi—islandgeneticalgorithm；sequentialquadraticalgorithm；structuraloptimizationdesign复合材料因其比强度高、比刚度高、可设计性强等特点，在航空领域的应用日益广泛。为了使复合材料得

6、到充分利用，复合材料的结构优化设计越来越受到广泛的重视。常楠等[1]基于有限元分析软件PATRAN／NASTRAN建立适用于大型复合材料结构的优化系统，对复合材料机翼蒙皮进行优化设计；穆朋刚等乜】基于蚁群算法对复合材料铺层参数进行优化设计；Liu等[3]基于遗传算法和响应面法采用二级优化技术，对复合材料机翼结构进行优化设计。鉴于复合材料结构用有限元软件分析时耗时较长，本文用Fortran程序将复合材料层合板等效成正交各向异性板，然后将等效刚度赋给相应的复合材料结构进行计算，可以提高有限元分析效率，且采用b

7、eam单元代替shell单元模拟加筋桁条，也可以提高有限元的分析效率[‘]。这样在优化设计时可以节约时间，提高优化效率。1复合材料层合板的等效刚度转换在三维应力状态的单元体中，一般各向异性材料的应力一应变关系式为‘5】收稿日期：2011一04—30；修订日期：2011一06一07通讯作者：唐振杰，男，高级工程师．E—mail：13911163021@139．com．522南京航空航天大学学报第43卷引．《}-=吲【岛JQ12Q13Q22Q23Q33Q2‘Q3‘Q2sQ35Q26Q36Ql。Q15Q16Q2

8、lQ25Q26Q3‘Q35Q36Q“Q45Q46Q15Q5sQ56Q46Q56Q66P。e，P。g，‘g=tgt，(1)对于正交各向异性材料，材料的弹性性能关于3个平面对称，即有Q1。一Q，。=Q。。=Q：。=Q：。=Q26=Q34一Q35一Q36=Q45一Q16=Q56与汐，则刚度矩阵可以简化为假设层合板的厚度为￡，共有Ⅳ层，第五层厚度为以(巩=z·一z卜，)如图1所示。则层合板的等效刚度矩阵为Ⅳ匝l，]=∑匝‘，]。矾肛(