[发明专利]一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法

摘要

本发明涉及一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，在飞行器预变形舱门设计中充分考虑预变形曲线形状和铺层形式对门结构的影响，将预变形设计引入到传统的飞行器门结构设计中，发挥门结构预加载后预紧力的锁紧作用，在减轻结构重量的同时保证了可靠性与使用性，同时，采用复合材料设计思想，结合预变形设计与复合材料铺层设计，利用全局优化算法得到全局最优的复合材料预变形门结构设计方案。

主权项

1.一种自锁定的复合材料预变形舱门结构优化设计方法，其特征在于实现步骤如下：(1)以门结构边框顶点位置为定位点，在门的预变形一侧设置特征点，用于拟合出符合基本设计需求的拟合曲线，选取特征点坐标为优化设计变量，选取了k个特征点，这k个特征点的坐标记为x＝(x1,x2,…,xk)；根据工程需要，作为设计变量的特征点位置有相对应的变化范围，即x∈[xL,xU]，依据经验或要求给出初始设计变量及各个设计变量的约束范围；(2)基于上述特征点，带入所设计拟合曲线的方程组中，解出若干曲线上点的坐标，利用样条曲线连接各定位点建立近似拟合曲线，与其他预变形门形状的控制点一并构建门结构几何模型，即读入包含特征点坐标的输入文件并生成几何模型的过程，即为读入过程；(3)为将门结构几何模型进一步转化为可用于计算的有限元模型，基于CAE工具软件平台，对所述门结构几何模型进行材料设置、网格划分、建立接触、复合材料铺层的有限元建模过程，最终建立的舱门结构模型包括壳单元构成的门结构、梁单元构成的筋结构以及实体单元构成的纵向止挡三部分，即为建模过程；将由特征点坐标到建立有限元模型的过程进行参数化，参数化中所涉及的参数包括特征点坐标与复合材料铺层厚度；(4)得到有限元模型后，分两步进行仿真计算以模拟结构实际使用中的变形，第一步为预加载过程，模拟预变形门合上时产生预应力的过程，第二步为实际工况加载过程，根据读入的载荷数据，模拟预变形门使用中受外载荷变形的过程，两步计算后可得到加载计算的结果数据，对结果数据进行下一步的后处理，即为计算过程；(5)利用CAE工具软件的后处理功能，提取上述加载计算的结果数据，对结果数据进行处理，得到与设计要求直接相关的指标数据，以结果文件的形式输出，即为输出过程；(6)将整个读入、建模、加载、计算、输出过程编写并整合为APDL自动处理命令流文件，当各设计变量在给定约束范围内取值时，自动根据特征点位置和复合材料铺层厚度生成参数化的几何模型与有限元模型，并根据读入的载荷数据进行计算，输出相应的结果文件，建立APDL自动处理命令流文件是使读入、建模、加载、计算、输出过程通过CAO工具软件调用CAE软件实现自动运行与处理，为下一步进行优化做准备；(7)利用CAO工具软件调用CAE工具软件运行步骤(6)得到的APDL自动处理命令流文件，并控制步骤(2)中读入的输入文件、步骤(5)输出的结果文件的修改与读入，实现集成优化，建立相应的设计变量与约束变量，构建CAO工具软件中的优化模型；(8)在优化模型中，以特征点坐标、复合材料铺层厚度为优化变量，以结构的强度即应变、刚度即工作载荷下变形后最大间隙作为约束，以结构重量最轻为优化目标，利用全局寻优算法即Pointer算法进行减重优化，实现在保证结构满足设计需要的前提下，对自锁定的复合材料预变形舱门结构进行减重。