本站原创摘 要 ：以Patran为前处理软件,MSC Nastran为求解器,复合材料铺层数为设计变量,以结构质量最轻为目标函数,对复合材料尾翼进行优化设计,并总结复合材料结构优化设计中的思路、方法和步骤.
关 键 词 ：复合材料； 铺层； 优化； MSC Nastran
中图分类号：V215.21文献标志码：B
0引言
近年来,飞机结构优化在飞机结构设计中的应用越来越频繁.优化设计的基本思想是：在满足飞机强度、刚度等结构完整性要求的条件下,保证结构质量最轻.
复合材料结构以其比强度高、比刚度大、性能可设计等优点,已被广泛应用于飞机结构设计.复合材料层压板是由单层板粘合在一起组成整体的结构板,复合材料层压板的特点在于它的可设计性.层压板的性能不仅与单层板的材料性能有关,而且与单层板的铺设方式有关.单层板的性能与纤维材料及纤维指向有关,如各单层板的纤维指向不同或铺层顺序不同,则可以得到各种性能的层压板,因此,在不改变单层材料的情况下,有可能设计出各种力学性能的层压板,满足工程上的不同需求.
铺层设计是复合材料结构设计中的重要内容,复合材料层压板的强度、刚度、稳定性和工艺等均与铺层有着十分重要的关系,对减重效果有重要影响,铺层设计的优劣在很大程度上决定结构设计的成败.本文基于航空上通用的MSC Nastran优化模块,对复合材料尾翼进行铺层优化设计,取得较好的结果.
1优化分析计算思路
在有限元程序实施过程中,复合材料结构优化设计的基本步骤为：优化区域定义→关键单元选择→设计变量定义→优化控制条件.MSC Nastran优化设计流程见图1.
4结论
讨论复合材料结构优化的分析计算思路,采用MSC Nastran优化模块对复合材料尾翼进行优化计算,得到以下结论.
（1）以质量最轻为目标函数的结构优化,初始尺寸检测设比较关键.初始尺寸较小,结构质量会随着迭代循环而增加.
（2）优化变量初值上、下限对优化结果影响较大,影响计算收敛和结果的准确性.
（3）对于复合材料结构稳定性考虑不足,按线性屈曲计算,会造成结构质量偏大.
（4）结构优化是个反复迭代的过程,不能期望一次就能给出合理的结果.
（5）复合材料影响因素较多,需要对优化结果进行较多的处理,需要有较丰富的工程经验.
（6）通过复合材料尾翼的优化计算,说明采用MSC Nastran对复合材料结构进行优化可行,有一定的工程应用价值,也为推动复合材料在飞机上的应用积累经验.