● 摘要
机翼设计是飞机初步设计中的重要组成部分之一，机翼结构设计又是机翼设计中的重要内容。在飞机初步设计阶段，得到能满足一定的性能要求同时重量最轻的结构是机翼结构设计的主要目标，尤其是对于强调经济性的民用飞机。随着CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）技术的发展，将其应用于结构初步设计能够显著提高设计质量，降低后期更改设计的风险。本文针对大型民用飞机机翼的典型结构布局形式，基于CAD/CAE技术对机翼结构优化进行了研究。首先，以机翼的翼肋个数和上、下蒙皮长桁个数作为优化变量，以静力分析得到的应力、位移及蒙皮失稳特征值等结构响应作为约束，以结构质量最轻作为目标，对机翼结构进行了布局优化。其中利用CATIA完成机翼外形的参数化建模，利用Patran实现对机翼结构FEM（有限元模型）的前处理，利用Nastran计算得到结构响应，并将上述软件通过多学科集成优化平台Isight集成并完成优化。为了在翼肋和长桁个数发生变化后能够自动生成对应的机翼有限元模型进行分析，基于Patran的二次开发语言PCL，实现了控制Patran根据翼肋和长桁个数对机翼模型自动进行准确的有限元网格划分和模型创建，从而为布局优化的实现奠定了基础。优化算例表明布局优化能够使机翼翼肋和长桁的配置更加合理，从而有效降低结构质量。然后，以结构布局优化结果为基础，对结构的剖面尺寸进行了进一步优化。在优化过程中着重考虑了实际情况中的不确定性因素对结构响应的影响，选取结构材料弹性模量和机翼表面气动载荷作为不确定性参数，并采用了随机可靠性理论对其进行不确定性量化和传播分析，得到每种结构尺寸设计下的结构响应满足要求的概率，并将概率作为优化的约束条件进行优化。最终将上述不确定性优化设计与传统的采用安全系数的确定性优化设计结果进行了对比分析，证明考虑不确定性的优化设计能够显著降低结构冗余，提升结构抵抗外界不确定因素的能力，从而提高结构效率。