一种起落架刹车构件轻量化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于响应面模型和多岛遗传算法的起落架刹车构件轻量化设计方法，包括：一，给定满足起落架正常功能需求的刹车构件mises应力和疲劳寿命的范围；二，确定刹车构件设计变量的变化范围；三，结合设计变量、mises应力、疲劳寿命的变化范围，给出约束条件，建立起目标函数；四，采用最优拉丁超立方试验设计方法选取样本点；五，根据样本点参数计算刹车构件的综合参数，包括构件质量、疲劳寿命、最大mises应力；六，联合M组样本点和M组刹车构件综合参数数据，采用完全搜索的方式建立四阶响应面模型；七，基于建立的响应面模型，采用多岛遗传算法对轻量化结构设计问题进行寻优，在收敛解中取最优解作为最终结构优化参数。

A Lightweight Design Method for Landing Gear Brake Components

The invention discloses a lightweight design method of landing gear brake components based on response surface model and multi-island genetic algorithm, which includes: 1. given the range of Mises stress and fatigue life of the brake components to meet the normal functional requirements of landing gear; 2. determining the range of variation of design variables of the brake components; 3. combining the range of variation of design variables, Mises stress and fatigue life, giving the range of variation of design variables, Mises stress and fatigue life. The constraints are given and the objective function is established. Fourthly, the optimal Latin hypercube design method is used to select the sample points. Fifthly, the comprehensive parameters of brake components are calculated according to the parameters of sample points, including component quality, fatigue life and maximum Mises stress. Sixthly, the fourth-order response surface model is established by combining the comprehensive parameters data of M-group sample points and M-group brake components. Seventh, based on the established response surface model, multi-island genetic algorithm is used to optimize the design of lightweight structure, and the optimal solution is chosen as the final structural optimization parameter in the convergence solution.

【技术实现步骤摘要】
一种起落架刹车构件轻量化设计方法
本专利技术属于飞机起落架
，特别涉及一种基于响应面模型和多岛遗传算法的起落架刹车构件轻量化设计方法。
技术介绍
飞机起落架是飞机在起飞、着陆、滑行和地面停放等阶段的主要承力装置，在传统的飞机设计过程中，起落架零件设计采用静强度设计，辅以较大的安全系数进行强度校核，但采用该设计方法设计的起落架零件往往有较大的应力余量和疲劳寿命余量。在现代飞机设计过程中，利用CAD、CAE辅助工具进行轻量化设计成为飞机起落架设计的一个重要研究方向。对飞机起落架结构进行轻量化设计，有助于提升飞机的安全性和机动性能。对于起落架结构的轻量化设计研究，2009年，王小锋.起落架刹车拉杆的可靠性减重设计[J].机电工程技术,2009,38(12):42-43+92+112.采用比较传统的优化方式，通过对某型飞机起落架刹车拉杆截面尺寸的静强度和疲劳强度可靠性校核，在强度裕度很大的情况下，按照给定可靠度，进行了截面尺寸最佳设计。2014年，刘文斌.某型无人机起落架结构拓扑优化[J].机械科学与技术,2014,33(11):1753-1757.建立了某型无人机起落架外筒支柱的拓扑优化模型,利用业内著名的结构优化平台OptiStruct,获得了满足强度和刚度约束条件下的最佳拓扑结构，实现结构轻量化。在组合近似模型和智能优化算法进行结构优化的研究上，2014年，宇慧平,.基于响应面法的超高强钢点焊结构的尺寸优化[J].焊接学报,2014,35(04):45-48+115.以超高强钢点焊结构为研究对象,以结构用料最少为目标,对点焊结构中的尺寸参数进行优化,优化过程中采用响应面法将应力约束显式化,得到函数表达式,然后运用序列二次规划算法对非线性模型进行优化求解。2017年，汤春球,基于拉丁超立方抽样的薄壁梁抗弯性能研究[J].汽车技术,2017(05):30-35.为提高车身侧碰安全性,利用三点弯曲试验方法对薄壁梁的抗弯性能进行研究。采用拉丁超立方设计方法对薄壁梁结构的壁厚及其上面板宽度进行了方案设计，运用Isight建立了其与薄壁梁参数之间的克里金(Kriging)近似模型,并应用NSGA-Ⅱ优化算法对近似模型进行寻优。纵观现有文献，有关组合近似模型和智能优化算法对起落架结构进行轻量化设计，一些文献的优化算法较为传统，可靠性虽高但效率较低；一些文献采用的试验设计方法样本均匀性不高，不能准确的拟合真实情况；一些文献采用的梯度优化算法，非常依赖初始设计点，落入局部解的可能性较大；大多只以满足强度要求为约束，没有考虑疲劳寿命，使得优化结果可行性不高。
技术实现思路
为满足飞机起落架结构的轻量化设计需求，提升飞机的安全性和机动性能，本专利技术提出了一种基于响应面模型和多岛遗传算法的起落架刹车构件轻量化设计方法，能可靠、高效的实现起落架刹车构件的轻量化设计。本专利技术公开了基于响应面模型和多岛遗传算法的起落架刹车构件轻量化设计方法，包括如下步骤：步骤一：在考虑安全系数的情况下，给定满足起落架正常功能需求的刹车构件mises应力范围为σmax≤0.67σb，σb为所用材料的强度极限，疲劳寿命K的范围取1.5Ka≤K≤2Ka，Ka为原件设计疲劳寿命；步骤二：确定刹车构件设计变量的变化范围，耳片外径D∈[D1，D2]，十字梁纵向宽度K1∈[K1a，K1b]、十字梁横向宽度K2∈[K2a，K2b]、十字梁纵向厚度H1∈[H1a，H1b]、十字梁横向厚度H2∈[H2a，H2b]、耳片与梁的过渡倒角R∈[R1，R2]；步骤三：结合设计变量、mises应力、疲劳寿命的变化范围，给出约束条件，建立目标函数；设计变量：X＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6)T＝(D，K1，K2，H1，H2，R)T(1)Xmin≤X≤Xmax，式中：Xmin为设计变量下限，Xmax为设计变量上限；状态变量：构件质量m，最大mises应力σ，疲劳寿命K：m(X)＝(D，K1，K2，H1，H2，R)(2)σ(X)＝(D，K1，K2，H1，H2，R)(3)K(X))＝(D，K1，K2，H1，H2，R)(4)约束条件：σ(X)≤0.67σb(5)1.5Ka≤K(X)≤2Ka(6)式中，σb为所用材料的强度极限，Ka为原件设计疲劳寿命；目标函数：f(X)＝m(X)(7)在满足设计变量取值和约束条件的情况下，要求f(X)取最小值，即：minf(X)＝minm(X)(8)步骤四：采用最优拉丁超立方试验设计方法选取：组样本点，N为几何参数变量个数；步骤五：根据样本点参数，更新数模，并计算刹车构件的综合参数，包括构件质量、疲劳寿命、最大mises应力；步骤六：联合M组样本点和M组刹车构件综合参数数据，采用完全搜索的方式建立四阶响应面模型；步骤七：基于建立的响应面模型，采用多岛遗传算法对轻量化结构设计问题进行寻优，在收敛解中取最优解作为最终结构优化参数。步骤六中，建立四阶响应面模型时采用完全搜索的方法，以残差平方和最小为目标，进行项的最佳选择。有益效果：本专利技术与现有技术相比，本专利技术采用最优拉丁超立方试验方法和响应面近似模型相结合的方法，使得优化过程可靠、高效，有助于提升飞机的安全性和机动性能。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为某型起落架刹车拉杆机构示意图；图3为Isight起落架刹车构件集成优化平台示意图；图2中标号名称：1、耳片外径D，2、十字梁纵向厚度H1，3、十字梁横向厚度H2，4、十字梁纵向宽度K1，5、十字梁横向宽度K2，6、耳片与梁的过渡倒角R。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步阐述本专利技术。如图1所示，本专利技术提供了一种基于响应面模型和多岛遗传算法的起落架刹车构件轻量化设计方法，包括如下步骤：步骤一：在考虑安全系数的情况下，给定满足起落架正常功能需求的刹车构件mises应力范围为σmax≤0.67σb，σb为所用材料的强度极限，疲劳寿命K的范围取1.5Ka≤K≤2Ka，Ka为原件设计疲劳寿命；步骤二：确定刹车构件设计变量的变化范围，如图2所示：耳片外径D∈[D1，D2]，十字梁纵向宽度K1∈[K1a，K1b]，十字梁横向宽度K2∈[K2a，K2b]，十字梁纵向厚度H1∈[H1a，H1b]，十字梁横向厚度H2∈[H2a，H2b]，耳片与梁的过渡倒角R∈[R1，R2]；以上参数的取值范围如图表1所示：表1步骤三：结合设计变量、mises应力、疲劳寿命的变化范围，给出约束条件，建立起目标函数；其中，设计变量、状态变量、约束条件以及目标函数由下面表达形式确定：设计变量：X＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6)T＝(D，K1，K2，H1，H2，R)T(1)Xmin≤X≤Xmax，式中：Xmin——设计变量下限；Xmax——设计变量上限；状态变量：构件质量m，最大mises应力σ，疲劳寿命K：m(X)＝(D，K1，K2，H1，H2，R)(2)σ(X)＝(D，K1，K2，H1，H2，R)(3)K(X))＝(D，K1，K2，H1，H2，R)(4)约束条件：σ(X)≤0.67σb(5)1.5Ka≤K(X)≤2Ka(6)式中，σb为所用材料的强度极限，Ka为原件设计疲劳寿命。目标函数：f(X)＝m(X)(7)在满足设计变量取值和约束条件的情况下，要求f(X)取最小值，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种起落架刹车构件轻量化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：在考虑安全系数的情况下，给定满足起落架正常功能需求的刹车构件mises应力范围为σmax≤0.67σb，σb为所用材料的强度极限，疲劳寿命K的范围取1.5Ka≤K≤2Ka，Ka为原件设计疲劳寿命；步骤二：确定刹车构件设计变量的变化范围，耳片外径D∈[D1,D2]，十字梁纵向宽度K1∈[K1a,K1b]、十字梁横向宽度K2∈[K2a,K2b]、十字梁纵向厚度H1∈[H1a,H1b]、十字梁横向厚度H2∈[H2a,H2b]、耳片与梁的过渡倒角R∈[R1,R2]；步骤三：结合设计变量、mises应力、疲劳寿命的变化范围，给出约束条件，建立目标函数；设计变量：X＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6)T＝(D，K1，K2，H1，H2，R)T       (1)Xmin≤X≤Xmax，式中：Xmin为设计变量下限，Xmax为设计变量上限；状态变量：构件质量m，最大mises应力σ，疲劳寿命K：m(X)＝(D，K1，K2，H1，H2，R)               (2)σ(X)＝(D，K1，K2，H1，H2，R)                (3)K(X))＝(D，K1，K2，H1，H2，R)                 (4)约束条件：σ(X)≤0.67σb(5)1.5Ka≤K(X)≤2Ka                 (6)式中，σb为所用材料的强度极限，Ka为原件设计疲劳寿命；目标函数：f(X)＝m(X)            (7)在满足设计变量取值和约束条件的情况下，要求f(X)取最小值，即：minf(X)＝minm(X)              (8)步骤四：采用最优拉丁超立方试验设计方法选取：...

【技术特征摘要】
1.一种起落架刹车构件轻量化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：在考虑安全系数的情况下，给定满足起落架正常功能需求的刹车构件mises应力范围为σmax≤0.67σb，σb为所用材料的强度极限，疲劳寿命K的范围取1.5Ka≤K≤2Ka，Ka为原件设计疲劳寿命；步骤二：确定刹车构件设计变量的变化范围，耳片外径D∈[D1,D2]，十字梁纵向宽度K1∈[K1a,K1b]、十字梁横向宽度K2∈[K2a,K2b]、十字梁纵向厚度H1∈[H1a,H1b]、十字梁横向厚度H2∈[H2a,H2b]、耳片与梁的过渡倒角R∈[R1,R2]；步骤三：结合设计变量、mises应力、疲劳寿命的变化范围，给出约束条件，建立目标函数；设计变量：X＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6)T＝(D，K1，K2，H1，H2，R)T(1)Xmin≤X≤Xmax，式中：Xmin为设计变量下限，Xmax为设计变量上限；状态变量：构件质量m，最大mises应力σ，疲劳寿命K：m(X)＝(D，K1，K2，H1，H2，R)(2)σ(...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏小辉，谢欣宏，陈虎，张钊，王添翼，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32