一种板筋结构设计方法技术

一种板筋结构设计方法，其特征在于：包含有如下步骤：板筋拓扑优化步骤；板筋尺寸优化步骤；其中板筋拓扑优化步骤包含有如下步骤：建立求解主传力路经的数学模型步骤；结构分析步骤；基于敏度阈值的优化步骤；收敛判定步骤；主传力路经确定步骤。本发明专利技术，改变了传统的板筋设计方法，改善了板筋性能。可以应用于飞机、日常物品的结构设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械领域，特别提供了。
技术介绍
板筋结构在现代飞机上有着广泛的应用，无论是机身的主承力加强框， 还是翼面的大梁或者加强翼肋，均是比较典型的板筋结构，传统普通的板 筋结构性能一般。为了研究板筋结构的优化设计问题，本文首先采用基于敏度阈值的拓 扑优化方法来确定结构的主传力路径，并将筋条布置在所求出的主传力路 径上；然后，以板和杆单元来模拟板筋结构，并建立相应的有限元分析模 型；最后，以板的厚度和筋条的剖面积为设计变量，进行满应力设计来获 得最终的优化方案。多种算例的数值仿真结果显示运用本文方法与传统 的基于工程经验的方法相比，在结构等刚度的条件下，前者的设计方案能 够减轻结构重量达到5%~20%;进一步的研究还发现本文给出的板筋结 构筋条布置在主传力路径；与桁架结构杆件布置在主传力路径；以及 常规的板筋结构筋条不完全布置在主传力路径；相比，各有其特点，同 样在等结构刚度条件下，三者相比较，前者的结构重量最轻，中间的桁架 结构的应力值最低，后者的应力值最高。因此，设计师可根据零件的受力 特征来选择不同的结构形式。通常，航空飞行器属于薄壁结构，其刚度是 很突出的问题，特别是现代飞行器更是如此，这说明本文提出的板筋结构5设计方法非常适合用于飞机加强框、翼面主承力的纵横骨架等结构的轻量化设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足之处，特别提供一种板筋结构设 计方法。本专利技术提供了,其特征在于:包含有如下步骤 板筋拓扑优化步骤； 板筋尺寸优化步骤；其中板筋拓扑优化步骤包含有如下步骤建立求解主传力路经的数学模型步骤； 结构分析步骤； 基于敏度阈值的优化步骤； 收敛判定步骤； 主传力路经确定步骤。 所述板筋结构设计方法，板筋尺寸优化步骤包含有如下步骤 基于尺寸优化的有限元建模步骤； 结构分析步骤； 基于满应力的优化步骤； 收敛判定步骤； 最优尺寸确定步骤。 所述板筋结构设计方法，基于拓扑优化的有限元建模步骤所建数学模型如下板筋结构是十分典型的薄壁结构，提高其面内刚度是非常有利的， 由此可以提出这样的计算模型在一定的材料用量条件下，寻找具有某种 度量的最大刚度这里指结构的最小柔顺性的筋条最佳走向与分布形式， 所确定的筋条即是材料的最优分布，亦是结构的主传力路径。最小化c Fr.其中，^为设计变量伪密度向量，c(苟为结构的柔顺性，^为节点载荷向量，^P)为节点位移向量，S(巧为在设计变量状态下的板筋结构有效面积， S。为在设计变量取1状态下的板筋结构有效面积，/为材料用量的百分比，N为设计变量的数目。对上式的求解，本专利技术采用基于"敏度阈值"概念和"约束补偿"措 施的拓扑优化算法。所谓"敏度阈值"，是将上式中的结构柔顺性对伪密度 求敏度，并把该敏度向量归一化，取中间值进行某种修正所得到的数值作 为阈值。在优化过程中，对于大于阈值的伪密度，增加其数值；对于小于 阈值的伪密度，减少其数值。所谓"约束补偿"，是将上式中的伪密度数值 增加所引起的板筋结构有效面积改变量与伪密度数值减少所引起的板筋结 构有效面积改变量保持相等，同时，还要保证伪密度在设计变量的上、下 限之间。所述板筋结构设计方法，基于敏度阈值的优化步骤包含如下过程 (1)柔顺性对设计变量的偏导数(2)敏度向量的归一化- vc ^max — ▽ CI(3)敏度向量的"阈值"—(*)、0.4 ~ 0.6(4)寻优方向"t/—("、 r—("a广—("、一is x 卜s/g" ji/ -对z .e(5)设计变量的改变量AX -腳e Z .S Z(6)设计变量的过渡〕(7)设计变量的迭代式X = nun《max7阔，<A max !其中，算子(.*)与(./)分别定义为某两个向量中对应的元素相乘与相除之后所得的对应数值再组成一个新向量；例如 U=(。A... " y 7;Z-f"^…" ^丫；算子鹏(.)表示对某一向量中的所有元素取其最大值，为一标量；算子w卜表示对某一向量中的所有元素取 中间值，也为一标量；算子咖w为符号函数，为一向量；e-表示优化过程中的运动限(move-limit),为一标量，这里采用一种自适应 的运动限；=*"与7="分别表示迭代第(k+1)次的设计变量下界和上界。本算法的数值迭代过程及结果表明7!T与7ir可以直接取为^^与7^即设计 变量的下界与上界，这里分别取0.01和1。同时，采用0Sigmund给出的 过滤函数来消除结构迭代过程中出现的棋盘格现象。用MATLAB语言迭代格式编制程序，然后用ANSYS的脚本语言APDL 将该程序嵌入到ANSYS，并与有限元求解器关联，这样就能够利用此CAE 平台完成寻找板筋结构的主传力路径了 。所述板筋结构设计方法，基于尺寸优化的有限元建模步骤；由前述的 基于敏度阈值的拓扑优化法所确定的主传力路径作为筋条的走向与根数， 确定板筋结构的有限元拓扑状态。结构分析步骤采用基于有限元方法；结构分析步骤采用基于有限元方法。选用具有自主知识产权的优化软件COMPASS作为计算平台，由前述 的基于敏度阈值的拓扑优化法所确定的主传力路径作为筋条的走向与根 数，这样便可确定板筋结构的有限元拓扑状态，再以满应力优化为准则， 并以板的厚度和筋条的剖面积为设计变量进行迭代优化，最终可以得到最 优的设计方案。所述板筋结构设计方法，基于满应力的优化步骤；以满应力优化为准 则，并以板的厚度和筋条的剖面积为设计变量进行迭代优化。本专利技术的优点独立提出了基于"敏度阈值"的拓扑优化算法，很好 地解决了飞行器板筋结构的主传力路线的确定问题，并在国内首次用力学 试验的方式验证了拓扑优化技术的有效性；运用本文方法与传统的基于工 程经验的方法相比，在结构等刚度的条件下，前者的设计方案能够减轻结构重量达到5% 20%;本文给出的板筋结构筋条布置在主传力路径与桁 架结构杆件布置在主传力路径以及常规的板筋结构筋条不完全布置在 主传力路径相比，各有其特点，同样在等结构刚度条件下，三者相比较， 前者的结构重量最轻，中间的桁架结构的应力值最低，后者的应力值最高； 因此，设计师可根据零件的受力特征来选择不同的结构形式。本专利技术采用的技术途径(1)利用基于敏度阈值的拓扑优化方法先确 定结构的主传力路径，并将筋条布置在该主传力路径上；(2)使用一维杆 单元与二维膜单元来模拟板筋结构，同时，建立对应的有限元分析模型；(3) 将板的厚度和筋条的剖面积作为设计变量，以满应力设计作为优化策略， 进行迭代设计，最终获得优化的设计方案。解决实际工程中的优化问题一般有三种办法 一个是靠经验的积累， 再凭主观做出判断；另一个是做实验选方案，比较优劣定决策；还有一个 就是建立数学模型，找出最优方案。对于板筋结构来讲，无论是框还是翼面的梁与翼肋，它们的最佳结构 型式是设计者首先最为关注的问题，它往往是通过背景经验知识和直觉判 断来处理这一棘手的问题，即上述的第一种办法。本专利技术采用集成的策略来研究板筋结构的优化设计问题，首先，研究 结构材料的最合理分布，即确定结构的主承力路径；其次，建立满应力准 则下的有限元分析模型与尺寸优化模型，经过数值迭代完成最优设计。其 中，二者的关系是前者的输出信息是后者的输入信息。最后，进行必要的 试验验证。由前述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种板筋结构设计方法，其特征在于：包含有如下步骤：　板筋拓扑优化步骤；　板筋尺寸优化步骤；　其中板筋拓扑优化步骤包含有如下步骤：　建立求解主传力路经的数学模型步骤；　结构分析步骤；　基于敏度阈值的优化步骤 ；　收敛判定步骤；　主传力路经确定步骤。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙聪，邓扬晨，
申请(专利权)人：中国航空工业第一集团公司沈阳飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]