基于MSC.Patran二次开发的机翼肋的拓扑优化

摘要

机翼结构主要包括翼梁、长桁、蒙皮和翼肋。翼梁、长桁和蒙皮是机翼结构的主承力构件。翼肋主要作用是维持机翼外形，对机翼整体弯曲刚度贡献很小。但是翼肋的重量却在翼盒的结构重量中占有相当大的比例（一般为8％～12%）。因此有必要通过一定的结构优化方法减轻翼肋的结构重量。拓扑优化是当今结构优化的热门之一，相比较传统的尺寸优化和形状优化，拓扑优化设计变量更多，求解更为复杂，但往往能够取得更大的经济效益。因此对翼肋进行拓扑优化是一个有效的减重手段。
　　本文基于变密度法的SIMP插值模型，建立了以最小柔顺度为目标函数，以体积为约束条件的数学模型，并用准则法对该模型进行了求解。提出了基于单元应力水平的自适应体积约束限方法来改进SIMP法无法直接反映结构应力水平的缺陷。本文同时研究了基于ICM法的应力约束全局化方法，建立了以结构最轻为目标函数，以单元许用应力为约束条件的数学模型。利用对偶二次规划对上述数学模型进行了求解。
　　通过PCL语言，在MSC.Patran平台上开发了自适应体积约束限方法和应力约束全局化方法的拓扑优化模块。通过工程估算的方法计算了翼肋承受典型载荷的大小。本文首次将自适应体积约束限方法和应力约束全局化方法应用于翼肋的拓扑优化设计,得到了满足应力约束的最优拓扑结构。本文研究表明，在满足稳定性要求的情况下，经过拓扑优化的翼肋结构减重效果明显。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究综述

1.3 本文的主要目的及研究

1.4本文的内容安排

第二章 基于SIMP法的拓扑优化方法

2.1 引言

2.2 基于变密度法的SIMP插值模型

2.3 基于单元应力水平的自适应体积约束限方法

2.4 算例分析

2.5 本章小结

第三章 Matlab、MSC.Patran联合实现的应力约束全局化方法

3.1 引言

3.2 应力约束条件下的数学模型

3.3 数学模型的求解

3.5 算例分析

3.6 本章小结

第四章 Patran的二次开发和机翼肋的拓扑优化

4.1 引言

4.2 Patran的二次开发

4.2 机翼肋的受力特点分析

4.3 机翼肋的拓扑优化

4.4 屈曲稳定性校核

4.5 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 后续研究工作与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文