基于力学近似模型的大展弦比机翼结构优化设计

摘要

机翼是飞机的重要组成部分。机翼结构设计目前普遍是基于历史设计案例，根据当前设计参数经过修改满足设计要求即完成，很少对设计进行调整和优化，使结构在满足刚强条件下更加轻质、可靠。本文主要以某大展弦比机翼为例，研究了机翼结构强度、刚度等重要指标的近似建模方法，并基于近似模型建立了机翼优化模型，设计了高效的优化算法，实现对机翼结构优化设计。
　　针对某大展弦比机翼具体结构特点，结合飞机结构强度计算中的经验公式和材料力学中的相关理论建立了机翼力学近似解析模型，包括：机翼最大应力近似模型、机翼最大挠度近似模型和机翼翼肋扭转角近似模型。近似模型充分考虑了原有力学模型中没有涉及的翼梁位置、翼肋个数、分段式（内、外翼）机翼等设计变量，为机翼结构优化设计提供模型支持。论文建立了机翼ANSYS力学仿真模型对近似模型进行了修正。
　　为使机翼力学近似模型逼近仿真结果，并减少近似模型中的设计变量数量，通过大量仿真数据实验分析，构造相关变量间的关联近似关系，和添加修正系数等方法，最终建立了与仿真结果逼近的含有较少未知量的力学近似模型。
　　基于力学近似模型和机翼结构设计要求，建立了以机翼结构强度最大为目标，以质量和刚度指标为约束条件的优化模型。针对优化模型特点，应用改进的粒子群算法和遗传算法分别对机翼结构进行了优化，分析了两种优化方法对模型求解的适应性，最终获得了基于近似模型的机翼优化设计结果。论文对优化后的机翼进行了动力学分析，相比优化前机翼结构，优化后结构动力学特性变化较小，即优化后的机翼对整机的动力学特性影响较小。