[发明专利]基于转动惯量约束的飞行器舵面设计方法

摘要

本发明公开了一种基于转动惯量约束的飞行器舵面设计方法，用于解决现有飞行器舵面设计方法设计的舵面绕转轴的转动惯量大的技术问题。技术方案是该方法首先建立舵面结构有限元模型，再对舵面结构有限元模型设置载荷以及边界条件，给定实体材料杨氏模量E⁽⁰⁾和泊松比μ，对建立舵面结构有限元模型进行有限元分析，计算舵面结构整体柔顺度，给定体积约束上限V_U，计算当前迭代步的结构体积V_C，给定转动惯量上限I_U，计算当前迭代步的结构转动惯量I_C，定义拓扑优化模型，进行灵敏度分析与优化迭代。经测试，在不降低其他力学性能的前提下，所设计舵面的转动惯量由7445kg*mm²降到6764kg*mm²，降幅达10.1％。

主权项

1.一种基于转动惯量约束的飞行器舵面设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、对舵面初始几何模型在UG三维软件中进行几何处理，然后在有限元软件HyperWorks的前处理模块HyperMesh进行有限元网格划分，即为舵面结构有限元模型，并另存为cdb格式；另外，在程序中设置拓扑设计变量x_i初始值，优化中其值在0‑1之间变化；i是正整数，表示设计域单元编号，1≤i≤n_e，n_e表示设计域内结构单元总数；为避免刚度矩阵奇异，设置拓扑设计变量的下限x_L，即步骤二、根据模拟出来的气动载荷，将原有的受压强载荷面分成几块压强值不同的区域，通过命令流APDL语言，对舵面结构有限元模型设置载荷以及边界条件；步骤三、给定实体材料杨氏模量E⁽⁰⁾和泊松比μ；每次迭代后，根据当前设计变量值，更新舵面结构有限元模型中的相应材料属性；采用SIMP材料插值模型分别计算每一个有限单元在当前迭代步下的杨氏模量E_i其中，E⁽⁰⁾表示实体材料的杨氏模量；惩罚因子p值取3；步骤四、对以上三个步骤建立的分析模型在有限元软件Ansys中进行有限元分析，获取结构刚度矩阵、结构位移向量信息；对于线性静力分析，结构有限元平衡方程写为KU＝F  (3)式中，K为结构整体刚度矩阵，U为节点位移向量，F为节点载荷向量；步骤五、计算舵面结构整体柔顺度C＝U^TKU  (4)根据式(3)计算舵面结构整体柔顺度C；通过提取有限元分析结果中的第i个单元的刚度矩阵k_i和位移向量u_i，先计算每个单元的柔顺度再把所有单元的柔顺度叠加起来得到结构的整体柔顺度C；步骤六、给定体积约束上限V_U，采用式(4)计算当前迭代步的结构体积V_C；其中，V_i表示第i个实体材料单元的体积；步骤七、给定转动惯量上限I_U，采用式(5)计算当前迭代步的结构转动惯量I_C；其中，ρ表示材料的密度值，V_i表示第i个实体材料单元的体积，r_i表示第i个实体材料单元离旋转轴的距离；步骤八、以结构整体柔顺度最小为目标，以结构体积、结构转动惯量为约束，建立拓扑优化模型；式中，x代表设计变量的集合，x_i为第i个有限单元的设计变量值，表示有限单元i的密度值，其中1≤i≤n_e；为避免有限元分析时结构刚度矩阵的奇异，引入设计变量下限x_L，n_e代表设计域单元总数；优化目标为结构的整体柔顺度C最小；约束条件中包含体积约束；V_U代表设计域体积约束V_C的上限，I_U代表设计域转动惯量约束I_C的上限，V_i表示设计域中第i个实体材料单元的体积，r_i为第i个单元质心距离旋转轴的距离；步骤九、求得目标函数关于设计变量的灵敏度；选取基于梯度的GCMMA优化算法，采用自编拓扑优化程序进行优化迭代，得到以转动惯量为优化约束的结构拓扑优化设计结果。