基于Hypersizer和Patran/Nastran的结构迭代优化

飞机普通壁板由蒙皮和长桁组成，它质量轻，能高效分布载荷，是飞机结构优化研究的重点。蒙皮在飞行过程中承受飞机扭矩、剪切造成的剪流和机身弯矩造成的拉压应力。长桁在飞行中承受弯矩和拉伸载荷。

研究通过仿真软件Patran/Nastran和参数设计软件Hypersizer，以长桁间距、蒙皮厚度和长桁截面厚度为参数，以壁板在给定载荷下不发生初始屈曲为约束条件，以壁板重量最轻为目标，通过仿真软件计算应力分布、将模型和载荷分布导入Hypersizer并建立几何参数集、Hypersizer计算满足不发生初始屈曲下每个长桁间距下的最轻重量和安全裕度、将几何模型反导入Patran/Nastran计算载荷分布、迭代直至得到全局最轻重量。

研究所用蒙皮为半环，长桁为2字型截面钣弯型长桁，长桁高28㎜，平直段宽25㎜。所用材料为2060-T8E30系铝锂合金，模量约为7万兆帕，密度2.78克每立方厘米。

蒙皮存在最小厚度限制，即被增压机舱与外界的压力差限制，存在与压力差、蒙皮横向压应力、机身蒙皮半径的关系。输入的几何参数范围为：长桁间距从130㎜到235㎜，蒙皮厚度从1.27㎜到2.45㎜，长桁厚度从1.25㎜到2.4㎜。

研究发现长桁间距越小，重量载荷比越高、临界屈曲应力越大。本文提供了优化民机金属机身壁板的布置方案和尺寸的参考。