基于数据驱动的舵面结构优化设计

在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强,这与空气舵结构的设计需求高度一致.然而,传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题.本研究采用了全新的显式拓扑优化方法-移动可变形组件法(MMC),并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计.该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化,具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势,从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题.进一步,建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型;将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计,从而显著提升了舵面结构优化设计的效率.文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术,可以推广应用于其他高端装备的智能设计.

增材制造技术在飞行器结构上的应用需求分析

未来先进飞行器的研制,对结构系统在功能和性能上均提出更高的要求,表现在结构的承载功能一体化、智能化、轻量化、承载效率提升等方面的需求,因此需要与之匹配的先进制造手段作为支撑。增材制造由于其在宏微观复杂结构研制、小批量柔性生产、高效率快速响应等方面的天然优势,成为未来支撑先进结构研制的先进制造方式之一。首先以飞行器承载结构为研究对象,分析各个部分的主要材料体系以及各个部分可能的增材制造应用前景,对现有的增材制造与飞行器结构研制的结合实现结构轻量化性能提升、复杂构件制备、快速原型机研制方面进行综述分析。进一步,通过具体的工程需求分析,阐述飞行器结构在新材料、优化设计、制备、维护/维修、成本控制等方面对增材制造的需求,为增材制造技术在飞行器承载结构和非承载功能结构技术上推广应用提供支撑和参考。