摘要：當前大型民用飛機機翼多采用雙梁多肋式結構布局形式，選擇合理的肋間距和長桁間距有利于傳遞載荷和減輕 重量。采用 Nastran 與 Hypersizer 進行機翼加筋壁板的布置優化分析，可以解決因長桁位置改變帶來的重新建立有限元模 型問題。本文章針對大型民用飛機復合材料機翼，以T型加筋壁板的靜強度和穩定性為優化約束，以壁板重量最低為優化目標， 利用 Nastran 與 Hypersizer 對機翼的長桁間距進行了優化，得到了最優的長桁間距范圍為 250mm-300mm，壁板主要的失效模 式是最大應變失效。 

關鍵詞：復合材料機翼結構布置；布置優化；加筋壁板優化；Hypersizer

引言 

機翼結構設計是飛機總體設計中的重要組成部分，當 前大型民用飛機機翼重量約占使用空機重量的 20%~30%。 對于民機而言，飛機結構減重對減小輪檔油耗、降低運營 成本、提升飛機市場競爭力具有重要意義。 

當前大型民用飛機機翼多采用雙梁多肋式結構布局形 式，沿機翼展向布置前、后梁和長桁，翼梁之間布置多個 翼肋。機翼盒段長桁和翼肋的數量直接影響了壁板的承載 能力，選擇合理的機翼布置參數有利于傳遞載荷和減輕結 構重量。在飛機初步設計階段，機翼結構布置的主要設計 優化目標是確定最優的長桁間距和肋間距，使得翼盒的結 構重量最小。 

本文針對大型民用飛機復合材料機翼，采用有限元前 處理器 Patran 建立了機翼盒段有限元模型，在 Nastran 求解器中進行計算，并利用復合材料優化設計與分析軟件 Hypersizer 對盒段長桁布置進行優化分析，得到最優的長 桁間距，并對壁板失效模式進行了分析。同時，傳播相關 科學知識。

一、Hypersizer布置優化方法 

1.1 優化原理 

機翼布置優化設計的難點在于，有限元網格與結構構 件的拓撲位置是密切關聯的 [1]，布置優化過程中，如果改 變了長桁的位置，則需要重新建立有限元模型，建模過程 耗費大量的時間。 

采用 Hypersizer 軟件進行機翼布置優化設計可解決因 長桁位置改變帶來的重新建模問題，這是因為 Hypersizer 可將 Nastran 求解器中的蒙皮 Shell 單元定義為加筋壁板 單元 [2]，加筋壁板單元的優化變量包括了加強筋間距，如 圖 1 所示。在建立翼盒有限元模型時，機翼壁板網格與長 桁位置沒有關聯，網格數量確保計算得到的內力解能夠表 征該區域的受力情況即可 [3]。長桁布置位置和數量的變化 通過改變加強筋間距實現，因此避免了重新建模，可以快 速的對不同的布置方案進行計算分析。

1.2 優化流程 

a）本文采用有限元前處理器 Patran 建立了機翼盒段 有限元模型，在Nastran求解器中計算得到單元內力解分布；

b） 將有限元模型和內力計算結果導入 Hypersizer 中，選 擇 T 型加筋壁板的尺寸參數和鋪層參數作為優化變量，加 筋壁板的筋間距作為固定變量，形成參數集合；c） 對每個 參數組合進行幾何尺寸、靜強度、穩定性等各失效模式的 分析校核，得到該筋間距下滿足各種失效模式裕度要求的 結構參數，選擇重量最輕的參數組合，即為該筋間距下最 優的壁板尺寸參數和鋪層參數；d） 將該筋間距下的尺寸參 數和鋪層參數迭代到有限元模型中，重新計算單元內力解， 進行下一輪的迭代，直到重量優化曲線收斂為止，得到該 筋間距下的壁板重量；e） 改變筋間距變量值，重復上述 c 和 d 步驟，得到每個筋間距下壁板的最優重量；f） 繪制筋 間距與壁板重量的曲線圖，選擇壁板重量最輕的筋間距最 為最優的長桁布置方案。

二、計算模型及優化結果 

2.1 優化計算模型 復合材料機翼有限元模型如圖 2 所示。機翼展長 25 000mm，弦長 5 000mm，垂直前梁布置 30 個翼肋。上下 壁板蒙皮采用 CQUAD 單元，屬性采用 PCOMP 屬性卡。 前后梁為 C 型梁截面，梁緣條采用 CBAR 單元模擬，梁腹 板采用 CQUAD 單元及 PCOMP 屬性卡。

在復合材料機翼結構優化中，需要包含多組臨界設計 載荷工況才能優選出最優參數組合。本文在計算時考慮了以下載荷工況： 

a）2.5g 突風和機動載荷工況。該工況一般是機翼上壁 板壓縮破壞、下壁板拉伸破壞和翼根彎矩最大的臨界設計 工況；

b）最大垂直力著陸載荷工況。該工況可能是翼根最 大扭矩的臨界工況；

c）地面剎車載荷工況。該工況可能是 翼根最大扭矩的臨界工況。 

在 Hypersizer 中將蒙皮單元設置為 T 型加筋壁板結 構形式，優化參數如表 1 所示。蒙皮和長桁的復合材料鋪 層比例優化范圍如表 2 所示。優化過程中考慮的失效模式 包括： 

a）蒙皮最大應變失效、蒙皮局部穩定性失效；

b）長 桁最大應變失效、長桁腹板局部穩定性失效、長桁腹板壓 損失效；

c）T 型加筋壁板整體穩定性失效、壓縮失效。

選取不同筋間距的復合材料加筋壁板進行優化，筋間距變化范圍 150mm~500mm，每增加 25mm 進行一次優 化計算，通過各自的最優結果對比，選取最佳的筋間距。 

2.2 優化結果 

2.2.1 最優長桁間距 

各長桁間距優化得到上下壁板重量如圖 3 所示。在長 桁間距 275mm 時，壁板的總重量最低，此時沿弦向共布 置 22 根長桁。當長桁間距小于 200mm 時，壁板重量會顯 著增加，這是因為密長桁布置雖然能提高壁板的臨界屈曲 載荷，降低蒙皮和長桁的鋪層數，但是長桁個數增加帶來 的壁板增重遠高于鋪層數降低帶來的減重。當長桁間距高 于 300mm 時，繼續增加長桁間距，壁板的臨界屈曲載荷 降低，為滿足壁板安全裕度要求，需大幅增加蒙皮和長桁 的鋪層數，會付出較大的重量代價。在肋間距 800mm 布 置下，最優的長桁間距區間在 250mm~300mm 之間。

2.2.2 壁板失效模式 

對于大厚度 T 型 加 筋 壁 板， 布 置 方 案 采 用 肋 間 距 800mm，長桁間距 250mm~300mm 時，最大應變失效是 其主要的失效模式。250 個壁板單元中有 208 個單元的設 計驅動失效模式是最大應變失效。 

本文采用的 800mm 翼肋間距是根據現今飛機翼肋統 計情況確定 [4]，對于大型民用飛機翼肋布置，在滿足加強 肋布置要求的情況下（襟副翼懸掛和支撐點、起落架連接點、 吊掛安裝點等集中載荷部位須布置加強肋），可在 800mm 的翼肋間距上適當提升肋間距，以減小翼肋個數，降低機 翼整體重量。 

三、結論與分析 

（1）本文采用 Nastran 和 Hypersizer 對復合材料機 翼長桁布置進行了優化設計，解決了機翼布置優化設計中 因長桁位置改變帶來的重新建模問題，對不同的布置方案 進行了快速的計算分析，最終計算結果符合工程實際，具 有較高實用性。 

（2）對于大型民用飛機復合材料機翼，在典型翼肋間 距布置下，最優的長桁間距區間在 250mm-300mm 之間。 

（3）對于大厚度復合材料 T 型加筋壁板，典型翼肋間 距布置下，最大應變失效是其主要的失效模式。壁板失效 模式受翼肋布置影響，可采用本文方法進一步優化翼肋間 距，分析大型民用飛機復合材料機翼最佳的翼肋和長桁布 置組合。 

參考文獻 

[1]姚衛星，張振偉.飛行器翼面結構型式的確定[J].航空制造技術， 2011（18）：26-29. 

[2]盧秉賀，李萍，張軍偉.基于Patran/Nastran和Hypersizer的 復合材料后機身加筋結構形式選擇分析[J].民用飛機設計與研究， 2012（2）：53-56. 

[3]裘健全.復合材料結構分析&優化：HyperSizer漸進式設計過程 [J].材料工程，2009（S2）：6. 

[4]趙愛瑩.現代民用飛機翼肋布置[J].科技視界，2016（14）： 115-115.

文章來源：科技視界