142_基于模糊综合评判的某型飞机座舱盖的形状优化设计_刘长虹

Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 1 - 基于模糊综合评判的某型飞机座舱盖 的形状优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 刘长虹 华东理工大学 机械与动力工程学院 承压系统与安全教育部重点实验室 上海 200237 摘 要：在考虑鸟撞的情况下，将座舱盖梁在其相应位置的扰动作为关于位置的不确定性参 数，然后将其处理成为形状优化变量。以在多个鸟撞工况作用下的加权应变能最小为目标， 寻找座舱盖梁的合理的分布位置，使得座舱盖结构的刚度最大。在形状优化中，工况影响因 素对不同工况作用的效果不同，故需对工况分配不同的权重。采用模糊综合评判法，综合考 虑工况影响因素对工况的权重的影响程度，评判出每个工况的合理的权重值，使得形状优化 结果更为合理。结果显示，优化后座舱盖的刚度得到提高，每个工况作用下的最大应变能都 有显著的降低。 关键字：形状优化，模糊综合评判，座舱盖，鸟撞 0 前言 飞机的座舱盖是飞机遭受鸟撞概率较高的部件，其设计 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 必须达到能承受一定的鸟 撞载荷，而座舱盖承受鸟撞的能力很大程度上与其支撑梁有关，因此座舱盖梁的分布就显的 非常重要。目前，从国内外文献上看，对座舱盖的研究主要集中在疲劳分析[1]、风载应力分 析[2]等，通过改变梁的位置来提高座舱盖的抗鸟撞性的文献极少。以往做鸟撞仿真分析，通 常是把边界条件做确定性处理，并没有考虑到鸟撞结构的模糊因素影响，本文参考已有的研 究成果[3][4]综合使用形状优化和模糊评判法寻找座舱盖支撑梁的最佳分布位置，提高座舱盖 的抗鸟撞性。 1 形状优化 形状优化是通过修改结构的边界几何形状的一种细节设计，综合使用了基矢量法、和扰 动矢量法。基矢量定义节点位置，扰动矢量用于定义与原始网格相关的节点位置的改变，即 原始位置： { }00302010 ,...,,, nxxxxX = (1) 扰动： { }nxxxxX ∆∆∆∆=∆ ...,,, 321 (2) 扰动量： { }naaaaa ...,,, 321= (3) Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 2 - 网格节点移动后位置： ∑ = ∆+= n j jj XaXX 1 0 (4) 式中：X 为节点坐标向量； 0X 为节点原始坐标向量； X∆ 是与设计变量 a相关的扰动向量。 1.1 座舱盖的有限元模型 鸟撞属于复杂的非线性问题，现有技术还很难实现在非线性情况下做形状优化，因此 近似的处理为线性问题，鸟撞载荷考虑为低速、均布载荷。 在HyperMesh中建立座舱盖的有限元模型，座舱盖的蒙皮和支撑梁都属于板壳结构， 故采用壳单元（CQUAD4）。有限元模型如图1所示，共19576个单元，座舱盖和梁的边界 固支。座舱盖受到十二个均布载荷工况，每个工况的均布载荷大小为0.35Mpa，方向为水平 方向，如图2所示。 除了中间的长纵梁和座舱盖三角形区域最外边的长横梁外，其它梁都作为在相应位置 上具有70mm扰动范围的形状优化变量，优化目标为在十二个工况作用下寻找梁的最优分布位 置使得加权应变能最小，即刚度最大。 2 工况权重的模糊综合评判 模糊综合评判是指对涉及模糊因素所影响的事物或现象进行总的评价则称为模糊综合 评判。在鸟撞过程中，撞击点位置的不同直接影响到撞击角度、撞击点距离边界的距离等因 素，而这些因素对鸟撞产生的效果差异相当明显[5]。因此就必须考虑到多种因素，合理的分 配每个工况的权重大小。 2.1 加权应变能 加权应变能是每个工况应变能的加权和,即 (5) 式中， iC 为第i个工况的应变能； iw 为第i个工况的权重，是模糊综合评判目标。 2.2 模糊综合评判算例 有限元模型中包含十二个工况，以第八个工况为例做模糊综合评判： 第一步：建立影响工况权重因素的集合U： 图 1 座舱盖有限元 图 2 工况示意图 ∑= iiw CwC Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 3 - { }离，距侧边界距离撞击角度，距上边界距=U （6） 第二部：对不同的影响因素赋予相应的权重因子，权重因子所组成的集合为： { }2.0,3.0,5.0 ~ =A （7） 第三步：把因素的评价定为四种程度：严重影响、重要影响、一般影响、轻微影响；分 别对应的权重为：4、3、2、1，即评价集合： { })1()2()3()4( ，轻微影响，一般影响，重要影响严重影响=V （8） 第四步：进行单因素模糊评判。单独从一个因素出发进行评判，以确定评判对象对评价 集元素的隶属程度称为单因素模糊评判。 第八个工况的三个因素的评判模糊集合为： 撞击角度： { }3.0,4.0,6.0,4.08 1~ =R （9） 距上边界距离： { }4.0,7.0,5.0,4.08 2~ =R （10） 距下边界距离： { }2.0,4.0,6.0,5.08 3~ =R （11） 将各单因素评判集的隶属度组成的模糊单因素评判矩阵： ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ = 2.04.06.05.0 4.07.05.04.0 3.04.06.04.0 ~ 8R （12） 第五步：进行模糊综合评判。单因素评判矩阵每列元素之和反映所有因素的综合影响[6]。 但影响因素的重要程度不同，所以必须考虑因素的权重系数，因此，模糊综合评判可 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为： { }3.0,4.0,5.0,4.0 ~ 88 ~~ 8 =∗= RAB （13） B为模糊综合评判集，评判集中的元素为模糊综合评判指标。则第八个工况的权重为： (14) 同理，十二个工况的权重系数分别为：1.32，1.76，2.07，2.07，1.76，1.32，2.14， 2.63，2.63，2.14，3.53，3.53。 3 求解与分析 采用 HyperWorks中的优化模块 OptiStruct求解，形状优化结果如图 3所示，座舱盖的 横纵梁都有向中间收拢，结构的刚度在该优化的条件达到最大。 图 2 形状优化后的座舱盖有限元模型 63.2 3.04.05.04.0 13.024.035.044.08 =+++ ×+×+×+×=w Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 4 - 对比优化前后的最大应变能变化情况如表 1所示，每个工况的最大应变能都有显著的降 低，最大幅度为第八个工况，下降幅度为 93.76%，由此可知，优化后座舱盖的结构刚度有 了很大的提升。 表1 优化前后的应变能 工况 最大应变能 工况1 工况2 工况3 工况4 工况5 工况6 优化前 9.649 10.384 10.601 10.593 10.352 9.660 优化后 9.057 7.954 0.791 0.712 7.953 8.983 最大应变能下降百分比 6.14% 23.13% 92.54% 93.29% 23.17% 7.01% 续表1 优化前后的应变能 工况 最大应变能 工况7 工况8 工况9 工况10 工况11 工况12 优化前 16.191 17.997 16.956 16.100 20.762 20.718 优化后 14.596 1.122 1.047 14.047 3.694 3.598 最大应变能下降百分比 9.85% 93.76% 93.75% 12.75% 82.21% 82.63% 4 结论 本文提出了基于模糊综合评判的飞机座舱盖的形状优化设计方法，把形状优化和模糊综 合评判应用到飞机座舱盖梁的位置分布的设计中，得出了如下结论： （1）形状优化法可以很好地寻找出在一定工况条件下座舱盖梁的具体分布位置，并且 满足优化目标的期待值，尤其在设计后期，由于改进设计的作用明显； （2）模糊综合评判法可以综合考虑工况影响因素对不同工况的影响程度，评判出每个 工况的权重值，使得形状优化结果更为合理。 5 参考文献 [1] L. Allegrucci. Fatigue fracture of a aircraft canopy lever reverse[J]. Engineering Failure Analysis 16 (2009) :391--401. [2] 韩海鹰. 座舱盖静载荷数值模拟及其应用[J]. 空气动力学学报, 2008(6):101—105. [3] 刘长虹,陈虬. 模糊随机结构屈曲问题的区间有限元法[J]. 工程力学,2004, 21(1):52—55. [4] 雷震宇,陈虬.模糊结构有限元分析的一种新方法[J]. 工程力学, 2001,18(6):47—53. [5] 张鹏. 复合材料结构抗撞击损伤设计分析技术[J]. 应用力学学报, 2001.9 （18）:151—155. Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 5 - [6] 王彩华. 模糊论方法学[D]. 中国建筑工业出版社, 1988.2:145. Shape Optimization Of Aircraft Canopy Based On Fuzzy Comprehensive Evaluation Liu Changhong Abstract: In considering the case of bird impact, the disturbance of canopy beams in their corresponding location did as uncertainty parameters for position, and processed them into the shape optimization variables. the optimization objective was minimized the weighted strain energy in the condition of several bird impact cases, searching for a reasonable canopy beam distribution, making stiffness of the canopy structure Maximized. In shape optimization, the effect factors work differently to different load cases, therefore, different cases for bird impact must be assigned different weights in shape optimization. In this paper, fuzzy comprehensive evaluation method was introduced, comprehensive considering load cases effect factors influence, getting the reasonable weights, making the shape optimization results are more reasonable. The results show that the stiffness of the canopy is improved and the maximum strain energy under each load case has decreased significantly after optimization. Keywords: Shape Optimization Fuzzy Comprehensive Evaluation Canopy Bird Strike