机翼结构优化新策略：基于Hypersizer的布局优化

摘要

当前大型民用飞机机翼多采用双梁多肋式结构布局形式，选择合理的肋间距和长桁间距有利于传递载荷和减轻 重量。采用 Nastran 与 Hypersizer 进行机翼加筋壁板的布置优化分析，可以解决因长桁位置改变带来的重新建立有限元模 型问题。本文章针对大型民用飞机复合材料机翼，以T型加筋壁板的静强度和稳定性为优化约束，以壁板重量最低为优化目标， 利用 Nastran 与 Hypersizer 对机翼的长桁间距进行了优化，得到了最优的长桁间距范围为 250mm-300mm，壁板主要的失效模 式是最大应变失效。

关键词：复合材料机翼结构布置；布置优化；加筋壁板优化；Hypersizer

引言

机翼结构设计是飞机总体设计中的重要组成部分，当 前大型民用飞机机翼重量约占使用空机重量的 20%~30%。 对于民机而言，飞机结构减重对减小轮档油耗、降低运营 成本、提升飞机市场竞争力具有重要意义。

当前大型民用飞机机翼多采用双梁多肋式结构布局形 式，沿机翼展向布置前、后梁和长桁，翼梁之间布置多个 翼肋。机翼盒段长桁和翼肋的数量直接影响了壁板的承载 能力，选择合理的机翼布置参数有利于传递载荷和减轻结 构重量。在飞机初步设计阶段，机翼结构布置的主要设计 优化目标是确定最优的长桁间距和肋间距，使得翼盒的结 构重量最小。

本文针对大型民用飞机复合材料机翼，采用有限元前 处理器 Patran 建立了机翼盒段有限元模型，在 Nastran 求解器中进行计算，并利用复合材料优化设计与分析软件 Hypersizer 对盒段长桁布置进行优化分析，得到最优的长 桁间距，并对壁板失效模式进行了分析。同时，传播相关 科学知识。

一、Hypersizer布置优化方法

1.1 优化原理

机翼布置优化设计的难点在于，有限元网格与结构构 件的拓扑位置是密切关联的 [1]，布置优化过程中，如果改 变了长桁的位置，则需要重新建立有限元模型，建模过程 耗费大量的时间。

采用 Hypersizer 软件进行机翼布置优化设计可解决因 长桁位置改变带来的重新建模问题，这是因为 Hypersizer 可将 Nastran 求解器中的蒙皮 Shell 单元定义为加筋壁板 单元 [2]，加筋壁板单元的优化变量包括了加强筋间距，如 图 1 所示。在建立翼盒有限元模型时，机翼壁板网格与长 桁位置没有关联，网格数量确保计算得到的内力解能够表 征该区域的受力情况即可 [3]。长桁布置位置和数量的变化 通过改变加强筋间距实现，因此避免了重新建模，可以快 速的对不同的布置方案进行计算分析。

1.2 优化流程

a）本文采用有限元前处理器 Patran 建立了机翼盒段 有限元模型，在Nastran求解器中计算得到单元内力解分布；

b） 将有限元模型和内力计算结果导入 Hypersizer 中，选 择 T 型加筋壁板的尺寸参数和铺层参数作为优化变量，加 筋壁板的筋间距作为固定变量，形成参数集合；c） 对每个 参数组合进行几何尺寸、静强度、稳定性等各失效模式的 分析校核，得到该筋间距下满足各种失效模式裕度要求的 结构参数，选择重量最轻的参数组合，即为该筋间距下最 优的壁板尺寸参数和铺层参数；d） 将该筋间距下的尺寸参 数和铺层参数迭代到有限元模型中，重新计算单元内力解， 进行下一轮的迭代，直到重量优化曲线收敛为止，得到该 筋间距下的壁板重量；e） 改变筋间距变量值，重复上述 c 和 d 步骤，得到每个筋间距下壁板的最优重量；f） 绘制筋 间距与壁板重量的曲线图，选择壁板重量最轻的筋间距最 为最优的长桁布置方案。

二、计算模型及优化结果

2.1 优化计算模型

复合材料机翼有限元模型如图 2 所示。机翼展长 25 000mm，弦长 5 000mm，垂直前梁布置 30 个翼肋。上下 壁板蒙皮采用 CQUAD 单元，属性采用 PCOMP 属性卡。 前后梁为 C 型梁截面，梁缘条采用 CBAR 单元模拟，梁腹 板采用 CQUAD 单元及 PCOMP 属性卡。

在复合材料机翼结构优化中，需要包含多组临界设计 载荷工况才能优选出最优参数组合。本文在计算时考虑了以下载荷工况：

a）2.5g 突风和机动载荷工况。该工况一般是机翼上壁 板压缩破坏、下壁板拉伸破坏和翼根弯矩最大的临界设计 工况；

b）最大垂直力着陆载荷工况。该工况可能是翼根最 大扭矩的临界工况；

c）地面刹车载荷工况。该工况可能是 翼根最大扭矩的临界工况。

在 Hypersizer 中将蒙皮单元设置为 T 型加筋壁板结 构形式，优化参数如表 1 所示。蒙皮和长桁的复合材料铺 层比例优化范围如表 2 所示。优化过程中考虑的失效模式 包括：

a）蒙皮最大应变失效、蒙皮局部稳定性失效；

b）长 桁最大应变失效、长桁腹板局部稳定性失效、长桁腹板压 损失效；

c）T 型加筋壁板整体稳定性失效、压缩失效。

选取不同筋间距的复合材料加筋壁板进行优化，筋间距变化范围 150mm~500mm，每增加 25mm 进行一次优 化计算，通过各自的最优结果对比，选取最佳的筋间距。

2.2 优化结果

2.2.1 最优长桁间距

各长桁间距优化得到上下壁板重量如图 3 所示。在长 桁间距 275mm 时，壁板的总重量最低，此时沿弦向共布 置 22 根长桁。当长桁间距小于 200mm 时，壁板重量会显 著增加，这是因为密长桁布置虽然能提高壁板的临界屈曲 载荷，降低蒙皮和长桁的铺层数，但是长桁个数增加带来 的壁板增重远高于铺层数降低带来的减重。当长桁间距高 于 300mm 时，继续增加长桁间距，壁板的临界屈曲载荷 降低，为满足壁板安全裕度要求，需大幅增加蒙皮和长桁 的铺层数，会付出较大的重量代价。在肋间距 800mm 布 置下，最优的长桁间距区间在 250mm~300mm 之间。

2.2.2 壁板失效模式

对于大厚度 T 型 加 筋 壁 板， 布 置 方 案 采 用 肋 间 距 800mm，长桁间距 250mm~300mm 时，最大应变失效是 其主要的失效模式。250 个壁板单元中有 208 个单元的设 计驱动失效模式是最大应变失效。

本文采用的 800mm 翼肋间距是根据现今飞机翼肋统 计情况确定 [4]，对于大型民用飞机翼肋布置，在满足加强 肋布置要求的情况下（襟副翼悬挂和支撑点、起落架连接点、 吊挂安装点等集中载荷部位须布置加强肋），可在 800mm 的翼肋间距上适当提升肋间距，以减小翼肋个数，降低机 翼整体重量。

三、结论与分析

1）本文采用 Nastran 和 Hypersizer 对复合材料机 翼长桁布置进行了优化设计，解决了机翼布置优化设计中 因长桁位置改变带来的重新建模问题，对不同的布置方案 进行了快速的计算分析，最终计算结果符合工程实际，具 有较高实用性。

2）对于大型民用飞机复合材料机翼，在典型翼肋间 距布置下，最优的长桁间距区间在 250mm-300mm 之间。

3）对于大厚度复合材料 T 型加筋壁板，典型翼肋间 距布置下，最大应变失效是其主要的失效模式。壁板失效 模式受翼肋布置影响，可采用本文方法进一步优化翼肋间 距，分析大型民用飞机复合材料机翼最佳的翼肋和长桁布 置组合。

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