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1、机械结构多学科优化——航天器结构/多学科优化实例研究第三dxl案例一：客机机翼气动／结构多学科优化在飞机初步设计阶段，机翼设计主要包括气动设计和结构设计。气动设计的任务是确定机翼外形，在保证有足够升力的前提下，使机翼升阻比尽量大。结构设计的任务是选择结构布局形式，确定结构件尺寸，在保证结构完整性的前提下，使结构重量尽可能轻。因此，机翼设计应兼顾气动效率要求和结构重量要求，其关键是找到飞机气动效率与重量之间的恰好折衷。工程估算方法也可进行气动效率与重量的权衡分析，但这种方法精度较低。随着空气动力学和结构有限元方法的不断成熟和普
2、及，应用多学科设计优化(MDO)方法研究机翼初步设计受到了广泛的关注与应用。多学科设计优化为客机机翼气动效率与重量之间的权衡分析提供一个有效的工具。实现这一目标的关键：(1)机翼参数化模型；(2)气动模型和结构模型的自动生成技术；(3)气动与结构的耦合关系分析；(4)实用有效的多学科设计优化方法。案例一：客机机翼气动／结构多学科优化(1)机翼参数化模型翼型形状采用基于形状函数和分类函数的参数化模型。机翼结构采用基于构型参数和属性参数的模型。(2)气动模型和结构模型的自动生成技术CATIA二次开发自动生成的气动网格模型。机
3、翼结构有限元模型。（3）气动与结构的耦合关系分析气动载荷分布结构重量结构弹性变形气动力气动模型表面与结构模型表面一致，可以编写插值函数程序对机翼施加载荷。(4)实用有效的多学科设计优化方法（5）客机机翼气动／结构多学科优化算例设计目标：①升阻比尽量大②重量尽量小。设计约束：①满足升力系数要求；②满足强度、刚度要求；③油箱体积要求。设计变量：①外形参数；②结构参数。机翼升阻比和质量的最优解集结果评价基于气动/结构的MDO设计方法得出的最优解集有助于设计人员进行机翼气动效率与重量之间的权衡分析，确定出最合理的机翼总体参数。案例二
4、：航天器多组件结构系统设计以航天器多组件结构系统设计为例，介绍了近年来拓扑优化技术在航天器多组件结构系统设计中的工程应用情况卫星内部会安装多个功能性设备组件以实现一项或多项功能，受限于有限的卫星体积要求，卫星内部结构在几何空间上具有强烈的冲突，这就对卫星内部结构的设计提出了更高的要求。含多个设备组件的卫星连接结构设计典型的飞行器多组件结构系统布置卫星连接结构需要解决的问题是设计卫星内部固定各个功能组件的一体化连接结构，使整个卫星系统可以在4个工况满足力学性能设计要求：火箭发射时的加速度载荷工况(主工况)、两个模拟结构系统横向
5、振动的工况以及地面操作工况。同时，卫星连接结构的质量必须低于预设质量，总体自振频率必须高于35Hz。拓扑优化过程设计中往往组件位置已提前指定，结构设计完全依赖于组件的预设位置而进行布局。该项目首先建立了拓扑优化设计域模型，并且留出了设备组件安装所需要的空间，将设计域离散为有限个实体单元，设定工况并优化求解，最终得到的满足质量和自振频率的拓扑优化构型如图(b)所示。安装上多个功能性设备组件的效果图如图(c)所示。可以看到，该卫星连接结构不仅通过底部与火箭相连接，同时还延伸连接到卫星顶部的挂钩上，并且将多个功能性的组件紧密地连接
6、在一起，实现了预定的设计要求。在对结构进行拓扑优化后，有必要对结构局部尺寸和外形进行详细设计，以满足最终工程应用要求。谢谢参考文献：[1]胡添元，余雄庆，多学科设计优化在非常规布局飞机总体设计中的应用[J].航空学报，2011,32(1),117-127；[2]余雄庆,飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向,南京航空航天大学报[J],2008,40(4),417-426；[3]朱继宏,高欢欢,张卫红,周莹,航天器整体式多组件结构拓扑优化设计与应用[J],航空制造技术,2014(14),25-29；[4]胡婕,王如华,王稳江,
7、余雄庆,客机机翼气动/结构多学科优化方法,南京航空航天大学报[J],2012,44(4),458-463.等总体设计变量（后掠角、展玄比、环量展向的控制系数）气动设计变量（翼型弯曲参数、特征剖面扭转角）结构设计变量（梁缘条、腹板厚度）案例一：客机机翼气动／结构多学科优化机翼初试方案机翼气动/结构参数化定义确定全局设计变量用实验设计确定样本点参数化外形CAD模型和结构布置CAD模型气动文件，DV结构文件，DV气动优化目标：阻力最小约束：气动约束变量：DV1结构优化目标：重量最小约束：结构约束变量：DV2静气动弹性分析获取总体性
8、能参数构造代理模型检验代理模型精度系统级优化加入新的样本点结构节点形变不收敛收敛分布气动力机翼气动/结构集成模型子系统优化迭代初始化气动优化设计结构优化设计静气动结构分析参数收敛判断计算迭代计算过程
