【ATC优秀论文集锦】基于HyperWorks的机翼盒段结构参数优化设计
本文摘要（由AI生成）：
本文基于HyperWorks软件平台，通过TCL语言二次开发，实现了机翼盒段结构的参数化建模与优化设计。作者王晓阳和姚雄华提出了小步长迭代分层优化方法，在静强度和刚度约束下逐步增加其他约束条件，提高了结构效率并减轻了重量。以民机翼盒结构为例，实现了质量减重49.1Kg，减重率达6.93%，满足多项设计要求。此外，Altair2017技术大会即将在南京举行，论文征集活动火热进行中，被录用论文将享受多项福利。
基于HyperWorks的机翼盒段结构
参数优化设计
王晓阳*，姚雄华
中航工业第一飞机设计研究院，陕西 西安710089
摘 要：利用TCL语言对HyperWorks进行二次开发，对翼盒结构进行参数化建模，并建立翼盒长桁与蒙皮面积比以及上蒙皮、梁腹板局部稳定性响应并关联部件几何参数。运用FBD技术进行翼盒结构优化载荷的筛选，并在可行方向法的基础上提出了小步长迭代分层优化方法，以民机为例，对机翼盒段进行参数优化设计，实现了翼盒结构减重。
机翼翼盒是机翼的主要承力结构，在机翼的详细设计阶段，结构形式及布局已确定，此时面临一个很重要的问题：如何合理选取翼盒各部件的几何参数，从而既能保证机翼足够的强度、刚度、稳定性以及几何尺寸约束又能使机翼结构重量达到最轻。由于翼盒结构复杂，参数规模巨大，约束条件众多，保守估计设计变量以及约束条件多达数千个。工程上一般采用的满应力优化结果往往不太理想，难以满足结构总体刚度、长桁与蒙皮面积比以及蒙皮、梁腹板局部稳定性要求。可行方向法（MFD）可处理具有不同约束的优化问题，本文选用可行方向法并对其进行改进，提出基于可行方向法的小步长分层优化方法，并借助于HyperWorks软件平台，优化设计出安全可靠重量轻的机翼盒段结构。
可行方向法
可行方向法的基本思想是：从设计的可行点出发，沿着可行下降方法进行搜索，从而求出目标函数值下降的新的可行点。迭代方法为：
式中：Xn为第n步迭代设计变量的值；n为迭代次数；α为搜索步长；S为搜索方向。
可行方向法的算法主要是选择搜索方向和确定搜索步长两个方面。
翼盒结构参数优化设计模型
对于翼盒结构参数优化问题建立的数学模型为：
对于翼盒结构参数优化，其设计变量通常是各个部件的几何参数，如梁缘条面积、长桁面积、蒙皮厚度、梁腹板厚度等；目标函数是翼盒结构重量；约束条件为强度、刚度、稳定性、以及工艺约束等，在翼盒结构参数优化设计中其约束多为不等式约束。
小步长迭代分层优化方法
针对翼盒结构参数优化的特点，提出小步长迭代分层优化技术。小步长分层优化技术具体如下：第一层在只考虑静强度刚度的约束下对其进行参数优化；第二层在第一步优化结果的基础上增加长桁与蒙皮面积比约束对翼盒结构参数进行优化；第三层在第二层优化结果的基础上在增加上蒙皮稳定性约束对翼盒结构参数进行优化分析；最后一层在第三层基础上添加梁腹板稳定性约束进行优化分析。校验优化结果，不符合约束条件继续从第一步循环。
[ 分层优化流程图 ]
翼盒结构参数优化的实现
TCL（Tool Command Language）是与Perl、Javascript类似的一类脚本语言。TCL嵌入在HyperWorks的应用程序里，所以通过脚本可以很方便地调用应用程序的命令对HyperWorks进行二次开发，包括用户自定义流程、控制面板等。
翼盒结构参数优化的规模一般都比较巨大，设计变量以及约束条件多达数千个，手工添加定义十分耗时、耗力且极易出错。为了提高工作效率，通过借助TCL语言对HyperWorks进行二次开发，实现了建模与优化计算的自动化。
建立参数化翼盒结构有限元模型
获取机翼结构布置参数，通过翼肋与长桁、梁缘条交点创建有限元节点，并对节点进行编号。建立有限元模型，其中单元包括：蒙皮单元、梁单元、长桁单元、肋单元。对相应单元进行材料定义。
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建立优化模型
定义设计变量：提取有限元模型中的结构参数（如蒙皮厚度、长桁面积等）定义为设计变量。
定义目标函数：建立翼盒结构重量响应，并设置其为目标函数。
定义蒙皮稳定性响应并约束：按照文中蒙皮稳定性计算方法，通过DRESP2卡片以及DCONSTR卡片，建立蒙皮稳定性响应并对其约束。
定义长桁、蒙皮面积比响应并约束：按照上文提供的长桁、蒙皮面积比计算方法获得相应长桁单元与其临近蒙皮单元的面积比，建立响应并添加约束。
其他响应以及约束的创建：建立翼盒结构静强度响应，以及翼盒总体刚度响应（翼尖位移和翼尖扭转角）。
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优化流程
使用HyperWorks软件对机翼盒段参数进行优化设计，基于可行方向法的机翼盒段结构参数优化的流程图：
[ Optistruct 优化流程图 ]
算例展示
以民机翼盒结构初步参数为输入，该机翼盒段为单块式金属双梁结构，单侧盒段沿展向布置30个翼肋。选取长桁截面积、蒙皮厚度、梁缘条面积以及梁腹板厚度为设计变量。通过对翼盒结构在起降以及巡航状态下共166种工况的应力分析，运用FBD（自由体载荷提取技术）技术筛选出优化载荷。翼盒结构重量为目标函数，静强度、翼尖挠度、翼尖扭转角；蒙皮、梁腹板局部压剪复合稳定性、长桁与蒙皮面积比为约束条件。采用基于可行方向法的小步长分层优化技术对其进行参数优化。借助HyperWorks软件平台，该民机翼盒的优化流程图如下图所示：
[ 翼盒结构参数优化流程图 ]
[ 上蒙皮优化前厚度云图 ]
[ 上蒙皮优化后厚度云图 ]
[ 下蒙皮优化前厚度云图 ]
[ 下蒙皮优化后厚度云图 ]
通过对比可以看出，优化过后上下蒙皮在传力更为有效的部位厚度有所加强，在传力效率低的地方厚度减弱，从而提高了结构效率，减轻翼盒结构重量。
[ 优化后上蒙皮单元压剪复合稳定性散点图 ]
[ 优化后下蒙皮单元压剪复合稳定性散点图 ]
通过对比可以看出，优化过后上、下蒙皮单元压剪复合稳定性均符合压剪稳定性要求。
[ 优化前上壁板长桁单元与蒙皮单元面积比 ]
[ 优化后上壁板长桁单元与蒙皮单元面积比 ]
[ 优化前上壁板长桁单元与蒙皮单元面积比 ]
[ 优化后上壁板长桁单元与蒙皮单元面积比 ]
可以看出，经过优化迭代将之前离散的长桁单元与蒙皮单元的面积比集中到了0.47-0.55之间。
翼盒重量迭代结果如下图所示。经过67次迭代优化，实现翼盒质量减重49.1Kg，减重大约6.93%。而且所得的结果满足强度、翼尖刚度变形、长桁与蒙皮面积比、上蒙皮及梁腹板局部稳定性设计要求。
[ 翼盒重量迭代结果 ]
总结
在可行方向法的基础上，提出了小步长迭代分层结构优化方法。该方法通过小步长控制以及对约束条件的分层分步添加，提高了优化效率以及优化结果的可行性。利用TCL语言对HyperWorks进行二次开发，建立了翼盒上蒙皮稳定性响应以及长桁与蒙皮面积比响应并关联结构参数变量。通过对民机翼盒结构参数的优化，验证了基于可行方向法的小步长迭代分层优化技术的可行性，为以后翼盒结构优化设计提供了一种参考方法。
