文章編號 :100026893 (2008) 0320664206

一種面向飛機族的結構優化方法

雍明培 ,余雄慶 (南京航空航天大學航空宇航學院 ,江蘇南京　 210016)
A Structural Optimization Method for Aircraft Family
Yong Mingpei , Yu Xiongqing

(
Astronautics , Nanjing　210016 , China)

次
:通用模塊結構優化層次和專用模塊結構優化層次。這種方法不但流程簡單 ,且各層次的設計變量和約
化問題。優化結果表明該方法能成功解決飛機族的結構優化設計問題 ,能同時優化飛機族中各型號的結構參數。關鍵詞 :飛機設計 ;飛機族 ;模塊化 ;通用性 ;結構優化中圖分類號 : V214　　　文獻標識碼 :A Abstract : The aircraft family is a set of aircraft that uses common components or common sub2systems while meeting different performance or operational requirements. A new structural optimization method based on the strategy of two level optimization and surrogate models is proposed for an aircraft family with common mod2 ules. The optimization procedure is divided into two levels : optimization for common components and optimiza2 tion for individual components. The advantages of this optimization method are that it can reduce the number of design variables and constraints , and keep autonomy of the optimization of individual components to facili2 tate parallel design. The wing structural optimization for a regional aircraft family was used as a test example. Detailformulationsof thewingstructuraloptimizationwerepresented,whichtheproposedmethodwasusedto solve. The result indicates that the method proposed in this paper is able to solve the structural optimization problem for the regional aircraft family and obtain optimum structural design of each member in the aircraft family. Key words : aircraft design; aircraft family; modularity; commonality; structural optimization
　　飛機族 (Aircraft Family)是指一組共享通用簡單的修改或局部重新設計而逐步派生演化 ,形部件或子系統的 ,但性能 (或使用要求 )不同的相成飛機族 [2]。這種模式實際上是一種“事后”系列關飛機產品的集合。通過開發飛機族 ,可滿足用化方法 ,不易很好地滿足對飛機的多樣性要求。戶不同的需求 ,既能占有市場 ,同時又能縮短產品與傳統的飛機族開發模式不同的新模式是基開發周期 ,降低生產成本 ,從而提高企業的競爭于模塊化產品平臺的策略 [3]。所謂模塊化產品平力。而且 ,由于飛機族中許多部件和系統是通用臺策略就是應用模塊化和通用性概念對產品進行的 ,使得使用和維護的費用大大降低。因此 ,在飛規劃和組織。首先根據技術要求和使用要求確定機研發中 ,開發飛機族而不僅僅開發單個型號飛產品應由哪些模塊組成 ;然后確定哪些模塊可作機已成為飛機工業界的重要策略 [1]。為通用模塊 ,哪些模塊作為專用模塊 ,其中 ,通用
傳統的飛機族開發模式是在某個成功的基本模塊的集合構成產品平臺 ;最后在產品平臺基礎機型的基礎之上 ,根據客戶的不同需求通過局部上 ,通過更換或增加專用模塊 ,可以派生出一系列
收稿日期 :2007209219 ;修訂日期 :2008201203產品 ,形成產品族。
基金項目 :武器裝備預研基金與傳統的單個型號飛機設計相比 ,飛機族的通訊作者 :余雄慶 E2mail : yxq @nuaa. edu. cn設計有其新的特點 ,在飛機族構型設計與總體布

置、氣動外形設計、結構優化、多學科設計優化方面都面臨新的問題[4]。本文研究飛機族的結構優化問題。
雖然單個產品的結構優化方法已經日趨成熟 ,但產品族內各個產品之間由于共享某些部件或子系統 ,使得產品族的結構優化設計不同于單一產品的結構優化設計 ,成為一個新的研究課題[527]。Fellini[ 5 ]提出了基于敏感性分析的方法識別產品平臺變量 ,并將此方法應用到汽車族車身結構平臺的優化設計中。 Cetin和 Saitou[ 6 ]用基于分解的優化方法來確定產品族的結構共享部件 ,提高結構強度并使制造成本和裝配成本最低。文獻
[7]在 Cetin的研究基礎之上 ,進一步提出了
性能的影響。
本文針對飛機族結構優化問題 ,借鑒多學科設計優化中的多級優化方法 [8]和代理模型方法[9] ,提出一種基于代理模型的二級優化方法。首先以支線客機族的結構優化問題為例 ,闡述飛機族結構優化的問題 ;然后提出一種面向飛機族結構優化的二級優化方法和實現流程 ;最后通過優化結果的分析 ,驗證此方法在飛機族結構設計中的可行性和有效性。
1　飛機族機翼結構優化問題
選擇載客量分別為 50座和 70座的支線客機族作為具體的研究對象 ,基本數據見表 1。
表 1　支線飛機族的基本數據 Table 1　Basic data of a regional aircraft family
飛機參數 50座 70座
飛行高度 / m  10 668  10 668
飛行馬赫數  01 74  0178
起飛重量 / kg  23 133  32 999
起飛燃油重量 / kg  6 489  8 822
機翼參考面積 / m2  51  70
設計升力系數  01 48  0144

典型的支線客機的機翼通常分為內外兩段翼 ,參考文獻 [10 ]支線客機族設計思想 ,將此支線客機族的機翼內段和外段分別作為一個模塊。假定在飛機族總體布局和機翼氣動外形設計時 ,已確定機翼外段模塊為共享模塊 ,內段模塊為專用模塊 ,如圖 1所示。兩機翼的外形參數見表 2。
圖 1　支線飛機族機翼通用模塊與專用模塊

Fig1 1　 Common components and individual components of wing for a regional aircraft family
表 2　支線飛機族機翼幾何參數 Table 2　Wing geometric parameters of a regional aircraft family
機翼參數 50座 70座
總體參數 展弦比 后掠角 / (°)  7189 30  714330
內段參數 梢根比 扭轉角 / (°)  01 576 -01 47  0144-0113
外段展長 / m  6197  6197
　
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