一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法，以减轻飞机油箱中筋板的质量为优化目标，并辅以强度约束、燃油串油性约束，在保证设计性能不下降的情况下，实现飞机结构减重的目的；这种方法使用水平集函数来描绘承载板件的开孔，较之于主流拓扑优化方法，如变密度法、均匀化法等，可有效控制开孔边界的形状，保证边界简单、规则，明显提升了设计方案的可制造性；同时本方法使用光滑粒子流体动力学的相关知识完成了对油箱中燃油晃动行为的模拟，在尽量减少承载板质量的前提下仍旧保持设计结果获得良好的串油性与抑波性，从而缩短了燃油测量时间，提升了反馈速率，加快了飞机重心的恢复时间，并最终赋予飞机较好地飞行控制性能。

Light weight design method of aircraft fuel tank bearing structure considering characteristics of series oil

The invention relates to a consideration of the characteristics of oil bearing on aircraft fuel tank structure lightweight design method, in order to reduce the quality of aircraft fuel tank in stiffened plate as the optimization goal, and with the strength constraints, constraints on fuel oil, in order to ensure the design performance decline. To achieve the purpose of weight loss of aircraft structure; the method of use level set function to describe the bearing hole plate, topology optimization method, compared with the mainstream, such as homogenization method, variable density method, can effectively control the hole boundary shape, boundary, ensure simple rules, improve design for manufacturability; related knowledge and the method using smoothed particle hydrodynamics to complete the simulation of fuel sloshing in the tank, to reduce the quality of the bearing plate remain design results obtained on oil with good wave suppression, Thus, the fuel measurement time is shortened, the feedback rate is increased, the recovery time of the aircraft center of gravity is speeded up, and the better flight control performance of the aircraft is finally given.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法
本专利技术属于飞机油箱内部承载板件的轻量化设计领域，具体涉及一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法。
技术介绍
为充分利用飞机内有限的空间，现代飞机普遍在机翼中设置机翼结构油箱；这种设计极好地改善了机翼空间利用性差的窘境，明显增加了飞机续航能力；然而机翼油箱往往涵盖了机翼主要承力结构，这些起承载作用的结构，如纵墙、翼肋等，一般直接浸于燃油之中，在支撑机翼的同时却阻碍了燃油的串动，延滞了重心回调时间，并最终削弱了飞行控制性能；为解决上述问题，传统方法通常在这些板结构上选用较大甚至明显冗余的开孔设计来提升串油性能，但这一手段又容易造成燃油液面波动加剧，延长了飞机测油时间，最终削弱飞行控制性能；同时，在维持承载结构强度不变的前提下，大冗余的开孔设计还易导致纵墙、翼肋等结构厚度增大，质量增加，常常使得设计顾此失彼；除此之外，承载板件的设计还存在另一问题：为减轻飞机质量，国内外设计者常常选用均匀化法、变密度法等拓扑优化手段完成承载结构的开孔设计，然而这一类方法均存在棋盘格结构、孔洞边界模糊不清、孔洞形状不规则等问题，因而使得设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：1)选择设计工况；2)设定开孔的设计变量，将设计变量储存于向量

【技术特征摘要】
1.一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：1)选择设计工况；2)设定开孔的设计变量，将设计变量储存于向量中；3)定义承载板件上允许开孔的区域为设计区域，对设计区域进行网格划分，依据水平集函数φ(x,y)描述开孔区域；并构建目标函数；4)进行力学优化设计和燃油流动模拟，确定约束条件并构建约束函数；5)使用有限差分法求出目标函数与约束函数对各个设计变量的偏导数，将目标函数值、约束函数值以及求得的偏导数带入MMA优化算法中，迭代更新变量，直至目标函数在满足约束条件的情况下收敛为止，完成设计工况下的承载板件开孔设计。2.根据权利要求1所述的一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法，其特征在于：步骤3)中使用四节点四边形网格对设计区域进行网格划分，得到Esum个单元和Nsum个节点；构建的目标函数为承载板件的质量函数，构建步骤具体包括：301)水平集函数φ(x,y)满足以下条件：取设计区域内坐标为(x,y)的一点，如果该点在开孔区域内，则其对应的水平集函数值大于零；如果在孔边界上，则该点的水平集函数值为零，点在孔外则水平集函数值小于零；302)在承载板件上均匀布置nrec个矩形孔及ncir个圆孔，每个开孔分别由一个水平集函数表达，获得(nrec+ncir)个不同的水平集函数；303)将步骤302)获得的水平集函数整合为一体，在开孔区域内，节点的水平集函数值均被置为1，孔外则被置为0；304)定义完整无开孔的原始承载板件质量为常数M完整，则承载板件的质量函数为：其中，nw为第w号单元上四个节点中水平集函数值为1的节点个数，ρ支撑为承载板件所用材料的密度，Vw为第w号单元的体积。3.根据权利要求2所述的一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法，其特征在于：步骤303)中将获得的水平集函数分布整合为一体的具体步骤为：3031)将获得的(nrec+ncir)个水平集函数进行以下处理：使用Heaviside函数将开孔覆盖区域内节点对应的水平集函数值设为1，其余设为0；3032)将步骤3031)中获得的(nrec+ncir)个开孔对应的水平集函数组装成为一个水平集，组装后第p个节点对应的水平集函数值φ(xp,yp)定义为：其中，φ(xp,yp)q为第q个开孔所对应的水平集函数在第p个节点上的值。4.根据权利要求1所述的一种考虑串油特性的飞机油箱承载结构轻量化设计方法，其特征在于：约束条件包括位置约束、形状约束、强度约束、串油性能约束和燃油液面起伏约束。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝童，洪军，刘宏磊，郑帅，高坤，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61