孫曉博,白 真,肖和業(yè),趙志軍,張中洲

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

巡飛彈復合材料彈翼結構減重優(yōu)化設計

孫曉博,白 真,肖和業(yè),趙志軍,張中洲

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

復合材料彈翼是為巡飛彈提供升力的重要結構部件,其減重設計是巡飛彈結構設計中的難點。文中以巡飛彈復合材料彈翼結構為研究對象建立有限元模型,并基于OptiStruct復合材料多級優(yōu)化的功能,在剛度、強度及復合材料鋪層工藝等約束邊界條件下,通過對彈翼上下蒙皮和翼梁分級優(yōu)化,最終使得大展弦比巡飛彈碳纖維復合材料彈翼結構減重達61%。

復合材料;彈翼;優(yōu)化設計

0 引言

巡飛彈是無人機技術和彈藥技術高度融合的新一代武器裝備,其通過大展弦比彈翼實現(xiàn)在目標區(qū)域上空“巡戈飛行”和“待機”。大展弦比巡飛彈因彈翼質量過大操縱性受其影響頗大。所以,尋求質量輕且剛度大和強度高的彈翼結構至關重要。

碳纖維環(huán)氧樹脂基復合材料具有比重小、剛性好、強度高和成型工藝簡單等優(yōu)點,在空天武器裝備等領域廣泛應用于結構的輕量化設計。同時,先進復合材料在飛行器結構關鍵部位用量的多少已經成為衡量飛行器先進性的重要指標之一。因此,大展弦比彈翼選用復合材料能夠在保證優(yōu)異性能的前提下,實現(xiàn)結構質量大幅度降低。

復合材料與傳統(tǒng)金屬材料最大的不同之處是其各向異性的特殊性質,這種材料在實際結構設計中可以根據(jù)傳力路徑布置纖維的走向。復合材料結構性能與纖維的鋪設走向、比例與次序關系非常密切。因此,尋求工程上復合材料建模與優(yōu)化的方法至關重要,相關文獻[1-5]給出了針對纖維復合材料結構如何進行鋪層優(yōu)化設計。其中,基于OptiStrut軟件的結構優(yōu)化算法允許工程結構有限元模型的優(yōu)化設計,具有運用多個結構響應來定義優(yōu)化的約束條件和目標的特點,特別適合復合材料結構工程優(yōu)化分析。因此,本文基于OptiStrut軟件,以巡飛彈復合材料彈翼為典型結構,進行減重優(yōu)化設計,通過三級優(yōu)化及增加工藝改進,獲得優(yōu)化的結構、鋪層形式,由優(yōu)化前后的對比分析表明優(yōu)化后的彈翼結構在力學性能約束范圍內質量明顯下降。

1 OptiStruct結構優(yōu)化介紹

HyperWorks軟件中的OptiStruct模塊主要功能是結構優(yōu)化設計,其中復合材料結構優(yōu)化設計涵蓋了從概念階段到詳細階段的設計,主要分為3個階段的遞進式優(yōu)化設計:自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和順序優(yōu)化。

1.1 自由尺寸優(yōu)化

復合材料結構在概念設計階段往往是把結構有限元模型分為4個超級層:0°、±45°和90°,其總厚度為復合材料層合板厚度。自由尺寸優(yōu)化的設計變量是單元密度,優(yōu)化單元密度后形成連續(xù)變化、不等厚的復合材料層合板。

圖1 超級層單元模型

1.2 尺寸優(yōu)化

自由尺寸優(yōu)化之后的結果是每一角度方向鋪層的不等厚板,由自由尺寸的4個超級層解析為16個PLY鋪層,且每一角度有4個PLY鋪層。由于自由尺寸優(yōu)化之后的單層PLY的形狀不規(guī)則,工藝上很難實現(xiàn),所以需要進行手工剪裁修正以滿足制造要求。每一鋪層PLY的單元厚度是尺寸優(yōu)化階段的設計變量。

1.3 順序優(yōu)化

尺寸優(yōu)化之后,得到的是復合材料結構每一鋪層大小的具體信息,但是工程上詳細的制造約束還不能滿足。所以Optistruct順序優(yōu)化的目的就是在滿足所有的設計約束和制造約束的前提下,對所有的鋪層順序重新進行順序優(yōu)化,求得多約束下的目標函數(shù)的最優(yōu)解。

2 巡飛彈彈翼模型

該彈翼模型是典型的梁式結構:由上下蒙皮和前后翼梁膠接組成。翼型選用NACA0024,翼弦180 mm,翼展800 mm。該模型優(yōu)化時忽略了復合材料層合板的濕熱效應和膠接失效,只針對復合材料鋪層進行優(yōu)化設計。

2.1 有限元模型

蒙皮和翼梁都屬于薄壁結構,所以在HyperMesh前處理軟件中對幾何體蒙皮和翼梁采用Midsurface抽取中面,并基于PCOMP進行復合材料建模。

初始鋪設順序為:

蒙皮:[0/45/-45/90]每個超級層0.8 mm,蒙皮厚3.2 mm。

翼梁:[0/45/-45/90]每個超級層1.5 mm,翼梁厚6 mm。

2.2 材料參數(shù)

復合材料單層板主要性能:E1=135 000 MPa,E2=8 800 MPa,ν12=0.33,G12=4 500 MPa,Xt=1 548 MPa,Xc=1 226 MPa,Yt=55.5 MPa,Yc=218 MPa,S=89.9 MPa,ρ=1.61×10-9t/mm3。

2.3 工況描述

通過簡化邊界和載荷,該巡飛彈彈翼的翼根部施加固定約束,下翼面施加0.06 MPa的等效壓力載荷。

2.4 計算結果

由圖2、圖3可知,彈翼的翼尖位移為27.6 mm,應變?yōu)? 181×10-6。

圖2 彈翼翼尖位移云圖

圖3 下翼面應變云圖

3 巡飛彈彈翼減重優(yōu)化流程

巡飛彈彈翼優(yōu)化變量選取上下蒙皮和梁的43 624個CQUAD4殼單元為設計變量進行優(yōu)化設計。優(yōu)化邊界約束為:

1)翼尖位移不大于60 mm;

2)拉應變不大于9 000×10-6,壓應變不大于7 000×10-6;

3)蒙皮和翼梁線性臨界失穩(wěn)不失效,控制屈曲特征值大于1。

3.1 自由尺寸優(yōu)化

自由尺寸優(yōu)化以每一超級層單元的密度為設計變量,并考慮包括質量響應、翼尖位移響應和一階屈曲因子等全局響應和每一鋪設角度比例不超過60%,±45°成對鋪設,基本鋪設單層板厚度為0.1 mm。自由尺寸優(yōu)化后的0°、±45°和90°超級層厚度在彈翼上下翼面及梁主要分布情況如圖4～圖6所示。優(yōu)化結果表明:纖維0°超級層厚度主要集中在翼梁上,這表明整個結構主要靠翼梁來承受彎曲。纖維±45°超級層厚度主要集中在彈翼上表面與梁的連接區(qū)域,主要提升梁、翼面之間力的傳遞能力及其相互間的連接強度。纖維90°超級層厚度主要集中在彈翼上表面根部,以提升翼在根部抗扭的性能。

圖4 下翼面和梁0°超級層厚度

圖5 上翼面±45°超級層厚度

自由尺寸優(yōu)化之后,復合材料每一角度堆疊的形狀得以確定,優(yōu)化后的單元形狀不同就形成不等厚的復合材料層合板。在實際工程中,自由尺寸優(yōu)化后的超級層解析單元多數(shù)不能被工程直接應用,需要進一步對解析后的形狀進行剪裁修正。剪裁的原則是盡可能保留自由尺寸優(yōu)化后的形狀,進行修補以便于工程剪裁制造。當然,剪裁后的整個結構質量會有所上升。圖7白色區(qū)域為上翼面自由尺寸優(yōu)化后鋪層信息,經過手工剪裁,圖8是剪裁后的形狀。

圖6 上翼面90°超級層厚度

圖7 上翼面0°優(yōu)化后鋪層形狀

圖8 上翼面0°工藝修正后形狀

3.2 層組尺寸優(yōu)化

分析中建立了以質量為目標函數(shù),以翼尖位移、屈曲因子、復合材料應變和Hoffman失效系數(shù)為約束,以上下蒙皮和前后梁單元厚度為設計變量的優(yōu)化模型。優(yōu)化的復合材料拉應變約束小于9 000×10-6,壓應變約束小于7 000×10-6。經過迭代,其上、下翼面和翼梁的厚度分布如圖9和圖10所示。在翼面的根部及翼面與翼梁的連接處厚度最大,這能提升整個彈翼結構的抗彎能力及內部連接強度。

圖9 尺寸優(yōu)化后下翼面和梁厚度分布

圖10 尺寸優(yōu)化后上翼面厚度分布

尺寸優(yōu)化后,使得所有的復合材料層組都限制在由基本厚度為0.1 mm的單層板堆疊成的不等厚的蒙皮和翼梁。

3.3 順序優(yōu)化

順序優(yōu)化用于決定復合材料結構最終的鋪設順序,需要考慮所有的響應及制造約束,除了尺寸優(yōu)化階段所包含的約束之外,還需要施加工程制造約束如:同一方向鋪層一般不能超過4層;±45°鋪層成對出現(xiàn);最外鋪層使用±45°的鋪層。最終優(yōu)化的順序為:

上蒙皮:[45/-45/03/902/0/904/04/(45/-45)4]

下蒙皮:[45/-45/04/45/-45/90/0/90/0/902]

前梁:[45/-45/02/90/04/90/04/90/02/45/-45/0/45/-45/90/45/-45/45/-45/0/902]

后梁:[45/-45/03/90/0/90/0/90/02/45/-45/02/902/0/(45/-45)4/0]

4 優(yōu)化結果

在大展弦比巡飛彈復合材料彈翼模型位移約束邊界條件下,通過復合材料鋪層的自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和順序優(yōu)化后,其彈翼尖位移、應變、質量和一階屈曲特征值的變化關系如表1所示。在滿足約束邊界的條件下,通過優(yōu)化整個彈翼減重達到61%,進而實現(xiàn)彈翼的減重優(yōu)化設計;同時表明該復合材料結構減重優(yōu)化方法具有很強的工程應用意義。因此可將此種優(yōu)化方法應用到其他復合材料結構有限元模型進行結構優(yōu)化設計達到減重要求。

表1 復合材料彈翼優(yōu)化結果對比

5 結論

本文以大展弦比巡飛彈碳纖維復合材料彈翼為研究對象,首先建立了碳纖維復合材料彈翼的有限元模型。然后基于OptiStruct軟件,施加力學載荷、邊界約束,設定應變、一階屈曲特征值和Hoffman實效系數(shù)等優(yōu)化約束條件。同時,考慮碳纖維單層板剪裁、模壓工藝情況,通過對彈翼下蒙皮和翼梁自由尺寸、尺寸及層組順序優(yōu)化,將彈翼質量降低了61%。實現(xiàn)了對復合材料彈翼的減重優(yōu)化,驗證了該復合材料彈翼減重優(yōu)化手段的有效性。不僅如此,該優(yōu)化方法還可拓展用于其他復合材料結構的減重設計,對于實際的工程復合材料減重和優(yōu)化有很強的指導作用。

[1] 洪清泉, 鄔旭輝. 基于Altair OptiStruct的復合材料優(yōu)化技術 [J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2008(9): 35-37.

[2] 柴紅普, 于哲峰, 傅山. 復合材料翼面結構優(yōu)化設計與分析 [J]. 力學季刊, 2011, 32(1): 109-116.

[3] 嚴君, 楊世文. 基于OptiStruct的碳纖維復合材料包裝箱結構優(yōu)化設計 [J]. 玻璃鋼/復合材料, 2012(2): 12-16.

[4] 李翰洋, 董國華, 袁國青. 競賽機翼結構的優(yōu)化設計與驗證 [J]. 玻璃鋼/復合材料, 2016(1): 45-50.

[5] 何旋. 復合材料機翼結構綜合優(yōu)化設計方法研究 [D]. 南京: 南京航空航天大學, 2013.

[6] 黃瑞, 高敏, 陳建輝. 輕小型巡飛彈及其關鍵技術淺析 [J]. 飛航導彈, 2015(12): 16-19.

[7] 趙亮, 陳紅光. 整體成形復合材料彈翼研制 [J]. 航天工藝, 1992(6): 16-21.

[8] 張興益. 碳/環(huán)氧復合材料彈翼靜力試驗與分析 [J]. 飛航導彈, 1994(3): 58-60.

[9] 洪清泉, 趙康, 張攀. OptiStruct & HyperStudy理論基礎與工程應用 [M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.

Light Weight and Optimization Design of Composite Material Missile Wing of Loitering Munitions

SUN Xiaobo,BAI Zhen,XIAO Heye,ZHAO Zhijun,ZHANG Zhongzhou

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

Composite material missile wing was an important component to provide lift for loitering munition, and the light weight design was the difficulty in structural design of loitering munition. Choosing the composite material missile wing structure of loitering munition as the research object, the finite element model was established. Based on the multi-level optimization function of OptiStruct composite material, and under the condition of the stiffness and strength of composite material coating technology constraints, through the classification optimization of up-and-down skin and spar of missile wing, finally the reduction of the carbon fibre composite material missile wing structure of the high aspect ratio loitering munition was up to 61%.

composite material; missile wing; optimization design

2016-06-24

孫曉博(1989-),男,陜西合陽人,助理工程師,碩士研究生,研究方向:飛行器結構與優(yōu)化設計。

TJ03;V214.8

A