[发明专利]基于特征驱动的翼面结构拓扑优化方法

说明书

本发明公开了一种基于特征驱动的翼面结构拓扑优化方法，用于解决现有翼面结构拓扑优化方法实用性差的技术问题。技术方案是首先确定翼面结构中与工程实际相符梁的特征形状，定义其角度，位置和尺寸为设计变量，采用固定网格方法，再利用水平集方法和布尔操作得到翼面特征布局初始结构，在优化的每一步迭代步中，根据优化变量结果对翼面特征布局进行更新，以一定材料体积为约束结构应变能最小为目标进行拓扑优化得到翼面加筋布局设计结果。用该方法对翼面结构进行拓扑优化，由作为特征的梁组合而成的布局优化结果可以直接指导并应用于工程实际，实用性好。

技术领域

本发明涉及一种翼面结构拓扑优化方法，特别涉及一种基于特征驱动的翼面结构拓扑优化方法。

背景技术

文献“基于分级优化的飞机翼面结构布局综合技术研究.邓扬晨,张卫红,章怡宁.强度与环境,2005,32(1):27-35.”中提出采用分级优化与集成策略，通过将飞机翼面布局设计分为三个层次拓扑优化，尺寸优化和稳定性准则优化最终得到对飞机设计人员有一定指导性和参考价值的翼面结构布局设计。该方法以基于伪密度的翼面拓扑优化结果为基础，加入了尺寸优化和稳定性准则优化以刚度为目标结构轻量化为约束，优化最终得到能指导工程实际的设计。

文献所述方法基于伪密度的拓扑优化阶段只能得到翼面加筋材料分配大致情况，拓扑结果出现约束部位材料堆积而稍部无材料的情况，只有通过进一步三级优化才能得到对设计人员有指导性的翼面结构布局。在现代航空设计中，对于翼面结构，需要在保证翼面刚度等性能下，更高效的通过拓扑优化方法得到直接适用于工程实际的翼面布局结果。文献所述方法中基于伪密度的拓扑优化结果不能直接得到适用于工程实际的加筋布局设计。

发明内容

为了克服现有翼面结构拓扑优化方法实用性差的不足，本发明提供一种基于特征驱动的翼面结构拓扑优化方法。该方法首先确定翼面结构中与工程实际相符梁的特征形状，定义其角度，位置和尺寸为设计变量，采用固定网格方法，再利用水平集方法和布尔操作得到翼面特征布局初始结构，在优化的每一步迭代步中，根据优化变量结果对翼面特征布局进行更新，以一定材料体积为约束结构应变能最小为目标进行拓扑优化得到翼面加筋布局设计结果。用该方法对翼面结构进行拓扑优化，由作为特征的梁组合而成的布局优化结果可以直接指导并应用于工程实际，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于特征驱动的翼面结构拓扑优化方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、建立翼面结构的表面框架蒙皮拓扑优化模型，定义表面框架蒙皮为非设计域，翼面内部为设计域。将翼面结构拓扑优化中的设计域离散为有限单元并作为固定网格。定义作为特征的梁的角度，位置和尺寸为设计变量，并给出初始值。

步骤二、利用水平集方法定义特征边界，通过布尔操作构造梁特征，将多根梁进行组合进行交并操作：

Φ＝Φ₁(x)∪Φ₂(x)∪…∪Φ_n(x) (1)

式中，Φ-翼面加筋特征，n-特征数目，x-有限单元中点位置。设计域内的有限元单元被特征边界分为三类，即完全在特征区域外，完全在特征区域内和与边界相交，利用Heaviside函数对应表达三类有限元单元材料弹性模量数值：

式中，E₀-实体材料弹性模量，Φ-翼面加筋特征，Δ-特征边界范围，α-极小值。对翼面根部固定位置施加固定约束，翼面表面施加压强载荷。

步骤三、翼面加筋布局优化以翼面结构总体应变能最小为目标，约束总的加筋体积及特征参数变量数值，具体满足公式：