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面向机身颤振模型的结构拓扑优化方法研究

刘玚

   飞机在研制过程中需要进行模型的风洞试验,以验证理论分析的正确性。风洞试验是验证一种飞行器颤振安全所必须完成的工作,现代飞机采用具有弹性、结构相似的’比例模型进行风洞试验,能够提高实验准确性,提高设计效率,降低成本。 由于飞机结构复杂,并且受到风洞条件及制造工艺等因素的限制,如何设计兼具弹性结构相似的比例模型是一个值得研究的问题。飞机颤振风洞实验模型应保留原机载荷传递特征,并在对原机结构简化的基础上缩比得到。它的结构设计是一个以固有频率为目标且要求结构相似的反求问题。从优化设计角度来看,拓扑优化中的渐进结构算法是一种可用于结构设计有效方法。为此,本文基于双向渐进结构优化法,针对拓扑优化易产生不规则孔洞和分支状结构的问题,提出了实现结构相似性的机身颤振模型设计方法。工作如下: 首先,研究了以频率为目标的双向渐进结构方法,结合有限元方法建立了以单元存在状态为变量的拓扑优化模型。基于单元灵敏度,利用APDL语言和Matlab联合编写了拓扑优化程序,实现了结构的双向修改;针对拓扑优化中常见问题,改进了单元灵敏度计算方法,进行了结果后处理,并在程序中给出了相应的解决办法。使用加筋平板结构的优化设计算例对以上方法作了验证。 其次,讨论了规则格栅骨架结构的内部规律及边界条件,建立了有限单元、几何子结构与整体梁杆的映射关系。提出了结构修改的比例准则,并将其应用于具有格栅结构的加筋板设计,避免了优化中产生不规则分支状结构,实现了以梁的存在状态为设计变量的拓扑优化,满足了结构相似性。 最后,选取圆筒形机身中段的一部分作为设计对象,将颤振缩比模型简化为空间格栅骨架支撑起的加筋圆柱壳结构,运用拓扑优化和尺寸优化方法对颤振模型进行了结构优化设计,构建出的与原机载荷传递与分配特征具有相似性的比例模型。计算结果表明,该方法的设计结果满足颤振模型目标频率的要求,完全保持了机身内层骨架结构,很好的实现了与原结构的相似性,是一种可借鉴的颤振模型设计方法。……   
[关键词]:拓扑优化;颤振模型;双向渐进结构法;结构相似;比例准则
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:大连理工大学2010年
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