基于MSC Nastran的优化技术

摘要：减轻结构质量对现代飞机具有极其重要的意义，进行结构优化设计可以更加合理地确定材料分布，提高材料的利用率，从而满足这一目标要求.目前，结构优化技术已广泛应用机结构设计中，通过确定优化设计变量、优化区域以及响应约束，采用MSC Nastran对机翼进行优化设计，在满足强度刚度设计要求的前提下，实现结构质量最轻的设计目标.

关键词：优化设计； 结构重量； MSC Nastran

中图分类号：V214文献标志码：B

0引言

飞机结构优化设计是近年来发展起来的用机结构设计的新技术之一，其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.

在工程结构优化中，按照设计变量的不同对优化对象进行分类，可分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和型式优化等5个层次，级别依次升高，收益依次增加，但由于其难度的依次增大，亦决定其发展的先后次序.要想获得真正的既具有最佳性能，又经济、实用的结构型式，必须进行布局优化，即将尺寸、形状与拓扑优化统筹起来综合考虑，即通常采用的结构布局优化.[1]

1结构优化设计方法

1.1结构优化数学模型

由于结构优化设计变量既可以连续，又可以离散，且对于工程结构设计而言，所涉及的设计变量通常很多；目标函数、约束函数在大多数情况下连续，也有可能非连续；约束函数通常是隐式的，对不同问题或者同一问题的不同设计点，非线性程度不一样，因此，对每组设计进行完全分析，计算量通常很大.

3结论

采用MSC Nastran尺寸优化设计对机翼壁板以及长桁进行优化设计分析，得到以下结论.

（1）优化过程不一定就是减重过程，以质量最轻为目标函数的结构优化，初始尺寸假设比较关键，初始尺寸较小，结构质量会随着迭代循环而增加.

（2）结构优化是个反复迭代的过程，不能期望一次就给出合理的结果，需要进行多轮、反复迭代，同时也需要有丰富的工程经验，对优化结果进行判定.

（3）以机翼为例进行优化计算，结果表明，在满足结构强度条件下，优化后各元件的几何尺寸按照由翼根到翼稍依次减小的规律进行变化，证明MSC Nastran尺寸优化结果趋势正确，可以采用MSC Nastran对飞机主结构进行优化设计.

（4）在对机翼主传力结构进行优化时，稳定性问题通过定义应力约束控制量予以考虑，后续必须采用工程计算方法，对优化确认的结构件尺寸进行详细的校核计算或通过试验验证，以确保结构件尺寸满足刚度和稳定性要求.

参考文献：

[1]张振伟. 机翼结构选型方法研究[D]. 南京： 南京航空航天大学， 2011.

[2]黄国宁， 陈海， 霍应元. MSC Nastran优化功能在结构强度设计中的应用[J]. 计算机辅助工程， 2006， 15（S1）： 50-52.

[3]隋允康， 陈继华， 龙连春， 等. 多约束膜结构结构截面优化及在MSC Nastran上的程序实现[J]. 力学季刊， 2005， 26（2）： 184-489.

[4]李善坡， 隋允康， 宇慧平. 二维连续体结构形状优化及其在MSC Nastran上的二次开发[J]. 计算机辅助工程， 2006， 15（S1）： 452-454.（编辑陈锋杰）