飛機結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計講稿課件

飛機結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計第二講飛機結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計第二講1第12章的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計方法簡介有限元素法結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)字化設(shè)計（自學(xué)）多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（自學(xué)）重點掌握：各種結(jié)構(gòu)設(shè)計思想之間的差別；各種設(shè)計方法的思想或原理。第12章的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展重點掌握：2第12章飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想和方法12.1飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展過程20世紀(jì)/40年代/50、60年代/70年代目前只考慮強度、剛度設(shè)計→靜、動強度設(shè)計靜強度、動強度和疲勞安全壽命設(shè)計破損安全、耐久性、損傷容限設(shè)計等要求

保證結(jié)構(gòu)的完整性

飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計必須保證結(jié)構(gòu)有良好的安全可靠性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)則、要求、方法和內(nèi)容均有很大的發(fā)展。飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想發(fā)展過程第12章飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想和方法12.1飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的312.1飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展過程靜強度和剛度設(shè)階段強度、剛度、疲勞安全壽命設(shè)計階段強度、剛度、損傷容限和耐久性設(shè)計階段結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計試用階段20世紀(jì)/40年代/50、60年代/70年代目前只考慮強度、剛度設(shè)計→靜、動強度設(shè)計靜強度、動強度和疲勞安全壽命設(shè)計破損安全、耐久性、損傷容限設(shè)計等要求

保證結(jié)構(gòu)的完整性

每種思想的（1）當(dāng)時技術(shù)發(fā)展背景；（2）設(shè)計準(zhǔn)則12.1飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展過程靜強度和剛度設(shè)階段20世412.2飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展在不斷進步。飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法發(fā)展情況表年代50年代60年代80年代設(shè)計方法定性分析和初步定量設(shè)計較精確的定量設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計并行工程方法—全壽命周期的系統(tǒng)化設(shè)計方法科技水平簡單分析模型、經(jīng)驗及解析分析法大型復(fù)雜的模型、有限元技術(shù)、數(shù)值分析法除了已有的技術(shù)外，還有系統(tǒng)工程等理論12.2飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)5隨著飛機性能的提高、新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代飛機的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新成果，采用先進的設(shè)計方法和技術(shù)，才能設(shè)計出成功的結(jié)構(gòu)。下面簡要介紹幾種以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的重要的設(shè)計方法和技術(shù)有限元素法結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)字化設(shè)計（自學(xué)）多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（自學(xué)）隨著飛機性能的提高、新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代飛機的結(jié)構(gòu)越來612.2.1結(jié)構(gòu)有限元分析一、有限元素法在結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用二、有限元素法的基本概念三、有限元模型化原則四、有限元軟件12.2.1結(jié)構(gòu)有限元分析一、有限元素法在結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用7一、有限元素法在結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體過程：具體結(jié)構(gòu)外載荷、邊界條件等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)構(gòu)的失效判據(jù)評估結(jié)構(gòu)承載能力、使用壽命、可靠性等修改、完善設(shè)計，制定試驗方案等等有限元素法有限元分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用一、有限元素法在結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體過程：具體結(jié)構(gòu)外8二、有限元素法的基本概念有限元法的定義單元網(wǎng)格剖分有限元法解題操作的典型步驟影響有限元法計算精度的因素有限元素法的定義有限元素法是將一個形狀復(fù)雜的連續(xù)體分解為有限個形狀簡單的子區(qū)域，即將一個連續(xù)體簡化為由有限個單元組成的等效組合體，把求解連續(xù)體的場變量（應(yīng)力、位移等）問題簡化為求解有限個單元節(jié)點上的場變量值。它是一種近似數(shù)值分析方法，因為其求解的基本方程是一個代數(shù)方程組，而不是描述真實連續(xù)體場變量的微分方程組。全機有限元計算模型機翼、機身計算模型二、有限元素法的基本概念有限元法的定義有限元素法的定義有限元9單元單元的形式可以區(qū)分為（1）按幾何形狀：一維、二維或三維；（2）按節(jié)點參數(shù)：Lagrange族（只包含場函數(shù)的節(jié)點值）或Hermite族（還包含場函數(shù)導(dǎo)數(shù)的節(jié)點值）；（3）按插值函數(shù)：Lagrange多項式或Hermite多項式；（4）按單元坐標(biāo)：笛卡兒坐標(biāo)或自然坐標(biāo)。這些區(qū)分法在有限元素法的專門課程中會介紹，這里簡單介紹一下第一種分法的元素單元單元的形式可以區(qū)分為這些區(qū)分法在有限元素法的專門課程10網(wǎng)格剖分有限元網(wǎng)格剖分應(yīng)滿足以下條件：單元之間不能相互重疊或分離，要與原結(jié)構(gòu)的占有空間相容。單元應(yīng)精確逼近原結(jié)構(gòu)。即：所有原結(jié)構(gòu)的頂點都應(yīng)取為單元的頂點，所有網(wǎng)格的表面頂點都應(yīng)落在原結(jié)構(gòu)表面，所有原結(jié)構(gòu)的邊和面都被單元的邊和面所逼近。單元的形狀合理。每個單元應(yīng)盡量趨近于正多邊形或正多面體，不能出現(xiàn)面積很小的二維尖角元或體積很小的三維薄元。網(wǎng)格剖分有限元網(wǎng)格剖分應(yīng)滿足以下條件：單元之間不能相互重疊或11網(wǎng)格的密度分布合理。分析值變化梯度大的區(qū)域需要細化網(wǎng)格。相臨單元的邊界相容，不能從一個單元的邊或面的內(nèi)部產(chǎn)生另一個單元的頂點。網(wǎng)格剖分網(wǎng)格的密度分布合理。分析值變化梯度大的區(qū)域需要細化網(wǎng)格。相臨12單元剖分單元分析、建立單元剛度方程結(jié)構(gòu)整體分析、組集總體剛度方程{F}=[K]{

}數(shù)值求解節(jié)點位移:{

}=[K]-1{F}單元分析、單元剛度方程結(jié)構(gòu)內(nèi)任意點處的應(yīng)力、應(yīng)變分析有限元法解題的步驟和過程圖有限元法解體操作的典型步驟實例單元剖分單元分析、結(jié)構(gòu)整體分析、數(shù)值求解節(jié)點位移:{}=131.單元模型。如桿單元與梁單元，板單元與體單元。2.單元的剖分數(shù)量。如應(yīng)力集中處單元剖分密度要大。3.單元插值函數(shù)的選取。開孔板網(wǎng)格剖分圖影響有限元法計算精度的因素1.單元模型。如桿單元與梁單元，板單元與體單元。14模型化工作，就是把實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題化為一種能夠用有限元法求解的力學(xué)模型。建立合理的力學(xué)模型是有限元法的關(guān)鍵。不恰當(dāng)?shù)哪Ｐ突瘯硎д婊蛘`差，甚至導(dǎo)致計算失敗。好的計算模型要利用以往成功的經(jīng)驗，經(jīng)過反復(fù)論證和必要的試驗才能產(chǎn)生。三、有限元模型化原則模型化工作，就是把實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題化為一種能夠用有限元法求151.結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征：抓住主要矛盾，選取合適單元2.載荷模擬

：確定載荷的性質(zhì)和量值3.支承模擬

：即邊界條件的確定，但較困難有限元模型化原則有限元模型化的最基本原則是：必須確保這一力學(xué)模型能夠模擬實際結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)狀態(tài)，并盡可能減少模擬誤差。這一原則從三方面把握：1.結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征：抓住主要矛盾，選取合適單元2.載16有限元法通用軟件的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)材料性能載荷邊界條件前置處理有限元模型有限元分析后置處理節(jié)點位移打印清單應(yīng)力值打印清單位移圖形顯示等參數(shù)線圖形顯示單元彩色變化圖動態(tài)圖形顯示有限元模型的建立和數(shù)據(jù)輸入階段數(shù)值計算階段結(jié)果的判讀和評定階段目前國際上已開發(fā)出一些大型通用有限元軟件，如：ADINA、MSC/NASTRAN、ANALYSIS、MARK、SAP等四、有限元軟件有限元法通用軟件的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)材料性能載荷邊界1712.2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思想優(yōu)化設(shè)計方法的發(fā)展一、優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型二、優(yōu)化方法三、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件基本概念數(shù)學(xué)模型優(yōu)化方法分類飛機結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型12.2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思想基本概念1812.2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思想：在滿足規(guī)定的條件（包括強度、剛度、損傷容限、可靠性和使用壽命等）下，使結(jié)構(gòu)的重量和成本盡可能低。優(yōu)化設(shè)計方法的發(fā)展過去根據(jù)原準(zhǔn)機、已有的設(shè)計經(jīng)驗和一些簡單的分析方法進行設(shè)計現(xiàn)在：以現(xiàn)代力學(xué)和數(shù)學(xué)的數(shù)值方法理論基礎(chǔ)，以計算機為工具，因此能夠自動尋找滿足設(shè)計要求的優(yōu)化設(shè)計方案12.2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思想：在滿足規(guī)定的19幾個概念等式約束：設(shè)計變量必須滿足的等式條件，如平衡方程、變形協(xié)調(diào)方程等，可以表示為he(X)=0(e=1,2,···,E)性狀參數(shù)：描述結(jié)構(gòu)響應(yīng)的參數(shù)，如應(yīng)力、位移、振動頻率等。設(shè)計變量：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中需要調(diào)整的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通常用n維空間向量表示，即X=(x1,x2,···,xn

)T不等式約束：對性狀參數(shù)和幾何參數(shù)的限制，可以表示為gj(X)≤0(j=1,2,···,J)一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型幾個概念等式約束：設(shè)計變量必須滿足的等式條件，如平衡方程、變20結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型求設(shè)計變量X=(x1,x2,···,xn

)T目標(biāo)函數(shù)：能夠反映結(jié)構(gòu)最重要性能的指標(biāo)，該指標(biāo)是設(shè)計變量的函數(shù)，可以寫為f(X)。使目標(biāo)函數(shù)f(X)

Min(或Max)且滿足約束條件he(X)=0(e=1,2,···,E)gj(X)≤

0(j=1,2,···,J)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型求設(shè)計變量目標(biāo)函數(shù)：能夠反映結(jié)構(gòu)最重要性能21設(shè)計變量和優(yōu)化方法分類設(shè)計變量拓撲變量包括元件、連接點及支持條件的數(shù)目及空間排列秩序。該類變量描述了結(jié)構(gòu)的構(gòu)造模式外形變量該類變量描述結(jié)構(gòu)的幾何外形，通常是節(jié)點坐標(biāo)尺寸變量描述組成結(jié)構(gòu)元件的截面尺寸，如桿元件的截面積、板元件的厚度等拓撲優(yōu)化外形優(yōu)化尺寸優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化目前還沒很好解決目前是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中主要處理的問題設(shè)計變量和優(yōu)化方法分類設(shè)計變量和優(yōu)化方法分類設(shè)計變量拓撲變量外形變量尺22飛機結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型求桿的截面面積和板的厚度（設(shè)計變量）X=(x1,x2,···,xn

)T使結(jié)構(gòu)重量（目標(biāo)函數(shù)）且滿足約束條件(1)平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程（等式約束）(2)幾何約束xi-ximax

≤

0ximin-xi

≤

0(i=1,2,···,n)

還有應(yīng)力約束、位移約束、穩(wěn)定性約束、動力特性約束等等。飛機結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型飛機結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型求桿的截面面積和板的厚度（設(shè)計變量）使23n個設(shè)計變量形成一個n維歐氏空間，在該空間中任意一點或向量X=(x1,x2,···,xn)T就代表一個設(shè)計方案。對于某一設(shè)計點X(0)=(x1(0),x2(0),···,xn(0))T，經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析和約束判斷，發(fā)現(xiàn)要調(diào)整，以便得到一個新的設(shè)計點X(1)=(x1(1),x2(1),···,xn(1))T，則這二個設(shè)計點的關(guān)系可以表示為X(1)=X(0)+

·S結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，等式約束一般由結(jié)構(gòu)分析處理，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序中，結(jié)構(gòu)分析程序是它的一個子程序。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法本身一般只處理不等式約束條件，這些約束通常是非線性，且為隱含的形式，甚至不存在解析表達式。其中系數(shù)

稱為步長，S=(s1,s2,···,sn)T稱為方向向量，見圖所示。二、優(yōu)化方法n個設(shè)計變量形成一個n維歐氏空間，在該空間中任意一點或24如果能給定某一方向向量S

和步長

，就可對原設(shè)計方案修改，而獲得一個新設(shè)計。各種不同的優(yōu)化方法的本質(zhì)差異在于確定S

和

的方法不同?，F(xiàn)有的優(yōu)化方法大致分成下面幾類：圖2-5設(shè)計迭代示意圖0x1x2X(0)X(1)S優(yōu)化方法如果能給定某一方向向量S和步長，就可對原設(shè)計方案修改25現(xiàn)有的優(yōu)化方法數(shù)學(xué)規(guī)劃法優(yōu)化準(zhǔn)則法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法遺傳算法目前已開發(fā)許多結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序系統(tǒng)，如：GENESIS、ASTROS、STAR、CATIA-ELFINI、ACCESS等等。面對大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的優(yōu)化方法仍存在不足，還有待發(fā)展和完善，而且僅用數(shù)值方法很難解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的全部問題，還需要設(shè)計人員的分析和判斷。三、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件現(xiàn)有的優(yōu)化方法數(shù)學(xué)規(guī)劃法優(yōu)化準(zhǔn)則法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法遺傳算法目前已開26總結(jié)結(jié)構(gòu)有限元分析重點內(nèi)容有限元素法概念有限元素法的典型步驟有限元模型化原則結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重點內(nèi)容結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化方法的基本思想總結(jié)結(jié)構(gòu)有限元分析重點內(nèi)27練習(xí)題練習(xí)題28第二講結(jié)束退出第二講結(jié)束退出29機翼、機身計算模型機翼、機身計算模型30全機有限元計算模型全機有限元計算模型31某無人機復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)

氣動載荷與結(jié)構(gòu)變形的耦合分析結(jié)果某無人機全復(fù)合材料機翼設(shè)計分析的結(jié)果結(jié)構(gòu)形式重量（kg）尖部彎曲位移(mm)尖部扭轉(zhuǎn)變形（度）梁