一种复合材料舱门优化方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料舱门优化方法，属于飞机结构强度设计领域。首先根据复合材料舱门的有限元模型，按基础铺层格式铺层，以铺层数量为优化变量，以舱门结构重量最轻为目标函数进行第一次优化，之后，进行铺层方式修改，以是否具有某一层铺层为优化变量，同样以上述舱门结构重量最轻为目标函数进行第二次优化，最终获得满足所述约束条件的最小重量舱门的复合材料铺层方式。通过本发明专利技术上述优化设计复合材料舱门结构在满足刚度、强度等性能指标的前提下，相对于金属舱门方案，大幅度降低了舱门重量，满足了舱门轻量化设计要求。

Optimization method for composite material door

The invention relates to a composite material door optimization method, which belongs to the field of aircraft structural strength design. According to the finite element model of the composite door, according to the basic layer of layer by layer format, the number of optimization variables in the hatch, the weight of the structure as the objective function for the first time, optimization of layer change in whether it has a layer of layer as the optimization variables, similarly to the door the weight of the structure as the objective function for the second time optimization, finally get the minimum weight hatch to satisfy the constraint conditions of the composite material layer style. Design of composite door structure in order to meet the stiffness and strength properties of the invention of the optimization scheme, with respect to the metal door, greatly reduces the weight of the door, the door to meet the lightweight design requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料舱门优化方法
本专利技术属于飞机结构强度设计领域，尤其涉及一种复合材料舱门优化方法。
技术介绍
随着航空器的不断的发展，对轻量化要求也日益严格，而复合材料以其优异的减重特点备受关注，近年来复合材料在国内军民用飞机中的应用比例大幅度提升，几乎所有在研飞机都将复合材料应用比例作为一项重要的设计指标。目前，国外已有关于复合材料气密舱门的工程应用，资料显示复合材料舱门比金属舱门减重约30％，如A350XWB登机门。国内复合材料主要用于起落架舱门等非气密舱门，近年来也陆续开展了复合材料气密舱门的研究工作。民用飞机在飞行过程中，为了保证飞机座舱内的舒适环境，必须对飞机进行气密增压，气密货舱门，和其它气密舱门一样要承受很大的压差载荷。因此在舱门结构设计中，除满足强度要求外还必须满足刚度要求。以往的舱门分析大都是基于强度约束条件和铺层约束条件，对刚度约束条件定义比较笼统，通常只有最大变形量这一个指标。因此在复合材料舱门设计中，完善多种刚度约束条件，并研究其在舱门优化中的实施方法具有实际工程应用价值与需求。
技术实现思路
本专利技术完善了舱门刚度约束条件，在此基础上按照强度及铺层比例等要求，提供了一种考虑最大变形量、波纹度、阶差、间隙等多种刚度约束的复合材料舱门优化方法，得到了适应工程需要的复合材料舱门铺层形式。本专利技术复合材料舱门优化方法，主要包括以下步骤:S1、建立所述复合材料舱门的有限元模型，所述有限元模型包括的复合材料初始铺层属性为，根据金属舱门的等刚度原则设计复合材料舱门初始铺层厚度，且基础铺层格式为[45N1/0N2/-45N3/90N4]S，其中，N1、N2、N3及N4为对应角度铺层数量；S2、以N1、N2、N3及N4为优化变量，以舱门结构重量最轻为目标函数建立第一次优化模型；S3、进行第一次优化，并对优化结果进行约束条件的符合性检查，若不满足约束条件，则返回步骤S2修改优化变量，或者修改约束条件，直至获得基础铺层格式下满足约束条件的最优铺层数量及铺层比例；S4、根据步骤S3的铺层优化结果更改铺层方式，修改后的铺层方式包括对称铺层、连续相同角度铺层不超过三层以及相邻铺层角度不超过60°；S5、根据步骤S4的铺层方式，以是否具有某一层铺层为优化变量，以所述舱门结构重量最轻为目标函数建立第二次优化模型；S6、进行第二次优化，获得满足所述约束条件的最小重量舱门的复合材料铺层方式。优选的是，所述步骤S2中舱门结构重量为其中，ρi为构件i所用材料的密度，Li为构件i的板件面积，Ai为构件i的板件厚度，N为构件数量。上述方案中优选的是，所述步骤S3中的约束条件包括刚度约束条件、强度约束条件及铺层比例约束条件。上述方案中优选的是，所述刚度约束包括对舱门的波纹度、阶差、间隙以及止动接触点进行约束。上述方案中优选的是，所述强度约束包括对舱门的许用应变、复合应变以及单层失效进行约束。上述方案中优选的是，所述铺层比例约束为0°铺层占比35％～55％，±45°铺层占比35％～60％，其余为90°铺层。本专利技术的优点和效果包括：1)通过优化设计复合材料舱门结构在满足刚度、强度等性能指标的前提下，相对于金属舱门方案，大幅度降低了舱门重量，满足了舱门轻量化设计要求。2)对复合材料舱门进行了两次优化分析，在满足结构重量最轻的情况下，最大限度地发挥了复合材料的铺层优势；3)利用本专利技术的优化方法，考虑了多个刚度约束条件，包括最大变形量、波纹度、阶差、间隙等刚度要求，改变了传统的舱门分析仅考虑了最大变形量单一的约束条件，优化得到的铺层方式为实际工程应用提供参考。附图说明图1为本专利技术复合材料舱门优化方法的一优选实施例的流程图。图2为本专利技术图1所示实施例的舱门波纹度示意图。图3为本专利技术图1所示实施例的舱门阶差示意图。图4为本专利技术图1所示实施例的止动接触点最大变形示意图。图5为本专利技术图1所示实施例的两次优化重量迭代过程图。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术保护范围的限制。下面通过实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术提供了一种复合材料舱门优化方法，完善了舱门刚度约束条件，在此基础上按照强度及铺层比例等要求，提供了一种考虑最大变形量、波纹度、阶差、间隙等多种刚度约束的复合材料舱门优化方法，得到了适应工程需要的复合材料舱门铺层形式，最终获得了满足强度、刚度等约束条件下的最小重量舱门及该舱门的复合材料铺层方式。本专利技术复合材料舱门优化方法，如图1所示，主要包括以下步骤：S1、建立所述复合材料舱门的有限元模型，所述有限元模型包括的复合材料初始铺层属性为，根据金属舱门的等刚度原则设计复合材料舱门初始铺层厚度，且基础铺层格式为[45N1/0N2/-45N3/90N4]S，其中，N1、N2、N3及N4为对应角度铺层数量；S2、以N1、N2、N3及N4为优化变量，以舱门结构重量最轻为目标函数建立第一次优化模型；S3、进行第一次优化，并对优化结果进行约束条件的符合性检查，若不满足约束条件，则返回步骤S2修改优化变量，或者修改约束条件，直至获得基础铺层格式下满足约束条件的最优铺层数量及铺层比例；S4、根据步骤S3的铺层优化结果更改铺层方式，修改后的铺层方式包括对称铺层、连续相同角度铺层不超过三层以及相邻铺层角度不超过60°；S5、根据步骤S4的铺层方式，以是否具有某一层铺层为优化变量，以所述舱门结构重量最轻为目标函数建立第二次优化模型；S6、进行第二次优化，获得满足所述约束条件的最小重量舱门的复合材料铺层方式。步骤S1为建立所述复合材料舱门的有限元模型，单元简化和节点网格划分应能真实模拟舱门结构刚度，并且至少在蒙皮区域(相邻的纵梁、横梁之间的蒙皮)的中点、梁平面与密封线的交点布置模型节点，具体包括以下几个方面：单元简化：蒙皮简化为板壳单元，密封带挡条简化为板壳单元，外缘条简化为杆单元，内缘条简化为梁单元，腹板简化为板壳单元，止动接头简化为刚体单元，与机身连接采用弹簧单元。节点网格：以纵梁平面、横梁平面与舱门理论外形交点为基本节点。每个蒙皮区域内网格尺寸约为30mm×30mm，舱门周边及拐角处蒙皮网格根据内部蒙皮网格数量协调划分，内缘条与外缘条之间的梁腹板网格尺寸约为30mm×24mm。复合材料舱门有限元模型初始铺层属性：根据金属舱门按等刚度原则设计复合材料舱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料舱门优化方法，其特征在于,包括:S1、建立所述复合材料舱门的有限元模型，所述有限元模型包括的复合材料初始铺层属性为，根据金属舱门的等刚度原则设计复合材料舱门初始铺层厚度，且基础铺层格式为[45N1/0N2/‑45N3/90N4]S，其中，N1、N2、N3及N4为对应角度铺层数量；S2、以N1、N2、N3及N4为优化变量，以舱门结构重量最轻为目标函数建立第一次优化模型；S3、进行第一次优化，并对优化结果进行约束条件的符合性检查，若不满足约束条件，则返回步骤S2修改优化变量，或者修改约束条件，直至获得基础铺层格式下满足约束条件的最优铺层数量及铺层比例；S4、根据步骤S3的铺层优化结果更改铺层方式，修改后的铺层方式包括对称铺层、连续相同角度铺层不超过三层以及相邻铺层角度不超过60°；S5、根据步骤S4的铺层方式，以是否具有某一层铺层为优化变量，以所述舱门结构重量最轻为目标函数建立第二次优化模型；S6、进行第二次优化，获得满足所述约束条件的最小重量舱门的复合材料铺层方式。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料舱门优化方法，其特征在于,包括:S1、建立所述复合材料舱门的有限元模型，所述有限元模型包括的复合材料初始铺层属性为，根据金属舱门的等刚度原则设计复合材料舱门初始铺层厚度，且基础铺层格式为[45N1/0N2/-45N3/90N4]S，其中，N1、N2、N3及N4为对应角度铺层数量；S2、以N1、N2、N3及N4为优化变量，以舱门结构重量最轻为目标函数建立第一次优化模型；S3、进行第一次优化，并对优化结果进行约束条件的符合性检查，若不满足约束条件，则返回步骤S2修改优化变量，或者修改约束条件，直至获得基础铺层格式下满足约束条件的最优铺层数量及铺层比例；S4、根据步骤S3的铺层优化结果更改铺层方式，修改后的铺层方式包括对称铺层、连续相同角度铺层不超过三层以及相邻铺层角度不超过60°；S5、根据步骤S4的铺层方式，以是否具有某一层铺层为优化变量，以所述舱门结构重量最轻为目标函数建...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，卫康斌，杨华伦，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61