文章編號(hào) :100026893 (2008) 0320664206

一種面向飛機(jī)族的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

雍明培 ,余雄慶 (南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)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(jié)構(gòu)優(yōu)化層次和專(zhuān)用模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化層次。這種方法不但流程簡(jiǎn)單 ,且各層次的設(shè)計(jì)變量和約
化問(wèn)題。優(yōu)化結(jié)果表明該方法能成功解決飛機(jī)族的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題 ,能同時(shí)優(yōu)化飛機(jī)族中各型號(hào)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。關(guān)鍵詞 :飛機(jī)設(shè)計(jì) ;飛機(jī)族 ;模塊化 ;通用性 ;結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類(lèi)號(hào) : V214　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)族 (Aircraft Family)是指一組共享通用簡(jiǎn)單的修改或局部重新設(shè)計(jì)而逐步派生演化 ,形部件或子系統(tǒng)的 ,但性能 (或使用要求 )不同的相成飛機(jī)族 [2]。這種模式實(shí)際上是一種“事后”系列關(guān)飛機(jī)產(chǎn)品的集合。通過(guò)開(kāi)發(fā)飛機(jī)族 ,可滿足用化方法 ,不易很好地滿足對(duì)飛機(jī)的多樣性要求。戶不同的需求 ,既能占有市場(chǎng) ,同時(shí)又能縮短產(chǎn)品與傳統(tǒng)的飛機(jī)族開(kāi)發(fā)模式不同的新模式是基開(kāi)發(fā)周期 ,降低生產(chǎn)成本 ,從而提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)于模塊化產(chǎn)品平臺(tái)的策略 [3]。所謂模塊化產(chǎn)品平力。而且 ,由于飛機(jī)族中許多部件和系統(tǒng)是通用臺(tái)策略就是應(yīng)用模塊化和通用性概念對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的 ,使得使用和維護(hù)的費(fèi)用大大降低。因此 ,在飛規(guī)劃和組織。首先根據(jù)技術(shù)要求和使用要求確定機(jī)研發(fā)中 ,開(kāi)發(fā)飛機(jī)族而不僅僅開(kāi)發(fā)單個(gè)型號(hào)飛產(chǎn)品應(yīng)由哪些模塊組成 ;然后確定哪些模塊可作機(jī)已成為飛機(jī)工業(yè)界的重要策略 [1]。為通用模塊 ,哪些模塊作為專(zhuān)用模塊 ,其中 ,通用
傳統(tǒng)的飛機(jī)族開(kāi)發(fā)模式是在某個(gè)成功的基本模塊的集合構(gòu)成產(chǎn)品平臺(tái) ;最后在產(chǎn)品平臺(tái)基礎(chǔ)機(jī)型的基礎(chǔ)之上 ,根據(jù)客戶的不同需求通過(guò)局部上 ,通過(guò)更換或增加專(zhuān)用模塊 ,可以派生出一系列
收稿日期 :2007209219 ;修訂日期 :2008201203產(chǎn)品 ,形成產(chǎn)品族。
基金項(xiàng)目 :武器裝備預(yù)研基金與傳統(tǒng)的單個(gè)型號(hào)飛機(jī)設(shè)計(jì)相比 ,飛機(jī)族的通訊作者 :余雄慶 E2mail : yxq @nuaa. edu. cn設(shè)計(jì)有其新的特點(diǎn) ,在飛機(jī)族構(gòu)型設(shè)計(jì)與總體布

置、氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方面都面臨新的問(wèn)題[4]。本文研究飛機(jī)族的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。
雖然單個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法已經(jīng)日趨成熟 ,但產(chǎn)品族內(nèi)各個(gè)產(chǎn)品之間由于共享某些部件或子系統(tǒng) ,使得產(chǎn)品族的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不同于單一產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) ,成為一個(gè)新的研究課題[527]。Fellini[ 5 ]提出了基于敏感性分析的方法識(shí)別產(chǎn)品平臺(tái)變量 ,并將此方法應(yīng)用到汽車(chē)族車(chē)身結(jié)構(gòu)平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。 Cetin和 Saitou[ 6 ]用基于分解的優(yōu)化方法來(lái)確定產(chǎn)品族的結(jié)構(gòu)共享部件 ,提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并使制造成本和裝配成本最低。文獻(xiàn)
[7]在 Cetin的研究基礎(chǔ)之上 ,進(jìn)一步提出了
性能的影響。
本文針對(duì)飛機(jī)族結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題 ,借鑒多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中的多級(jí)優(yōu)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(jí)優(yōu)化方法。首先以支線客機(jī)族的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題為例 ,闡述飛機(jī)族結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問(wèn)題 ;然后提出一種面向飛機(jī)族結(jié)構(gòu)優(yōu)化的二級(jí)優(yōu)化方法和實(shí)現(xiàn)流程 ;最后通過(guò)優(yōu)化結(jié)果的分析 ,驗(yàn)證此方法在飛機(jī)族結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的可行性和有效性。
1　飛機(jī)族機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題
選擇載客量分別為 50座和 70座的支線客機(jī)族作為具體的研究對(duì)象 ,基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。
表 1　支線飛機(jī)族的基本數(shù)據(jù) Table 1　Basic data of a regional aircraft family
飛機(jī)參數(shù) 50座 70座
飛行高度 / m  10 668  10 668
飛行馬赫數(shù)  01 74  0178
起飛重量 / kg  23 133  32 999
起飛燃油重量 / kg  6 489  8 822
機(jī)翼參考面積 / m2  51  70
設(shè)計(jì)升力系數(shù)  01 48  0144

典型的支線客機(jī)的機(jī)翼通常分為內(nèi)外兩段翼 ,參考文獻(xiàn) [10 ]支線客機(jī)族設(shè)計(jì)思想 ,將此支線客機(jī)族的機(jī)翼內(nèi)段和外段分別作為一個(gè)模塊。假定在飛機(jī)族總體布局和機(jī)翼氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)時(shí) ,已確定機(jī)翼外段模塊為共享模塊 ,內(nèi)段模塊為專(zhuān)用模塊 ,如圖 1所示。兩機(jī)翼的外形參數(shù)見(jiàn)表 2。
圖 1　支線飛機(jī)族機(jī)翼通用模塊與專(zhuān)用模塊

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