4 优化设计

    考虑到双弧形碳纤维弹翼翼型的不规则性使得铺设弹翼层压板的每一铺层的尺寸都不相同，同时受限于OptiStruct优化软件模块的限制，我们几乎很难建立一个实体铺层的弹翼，在预定的0.125mm厚度单向板前提下来优化复合材料每一铺层的角度和顺序。本文的研究工作主要是优化双弧形碳纤维复合材料弹翼结构的铺层角度、铺层大小和铺层顺序，使得碳纤维弹翼在多边界和多约束状况下的结构力学性能最优。

    基于以上所提出的双弧形复合材料弹翼优化设计的技术难点，本文创新性地提出了“等效设计法”来优化双弧形复合材料弹翼的铺层。本文思路是以尺寸为165*43*4.25（mm）等效复合材料层压板通过放大设计载荷和减小翼尖挠度与翼面主应变来优化复合材料铺层的角度和顺序。图4.1演示了本文优化思路和方法。

    图4.1 双弧形复合材料优化流程

4.1 自由尺寸优化

    自由尺寸优化设计约束：结构响应约束翼尖位移不大于25mm；制造工艺约束：单层板铺设厚度0.125mm；0度铺层百分比不小于50%；其余角度铺层百分比不大于30%；层压板厚度最大4.25mm；45和-45铺层成对出现。

    自由尺寸优化设计目标：应变能最小化。

    自由尺寸优化之后，等效层压板的厚度云图、位移云图和应变云图如下图4.2（a-c）所示，经过分析，我们可以看出：

    图4.2（a） 自由尺寸优化后单元厚度分布云图

    图4.2（b） 自由尺寸优化后的位移云图

    图4.2（c） 自由尺寸优化后的应变云图

    自由尺寸优化设计之后，等效弹翼生成16个ply的层压板（每一个超级层生成4个同角度的ply）。经过自由尺寸优化之后，层压板形成了不等厚的层压板，这个时候需要进行手工剪裁设计以适应工程制造（HyperWorks14.0设计了工业自动化剪裁，用户或者制造工程师也可以根据实际情况进行手工剪裁设计）。

    自由尺寸优化需要进行剪裁设计。考虑到实心碳纤维弹翼的结构特性属性是铺层单元的铺层是规整的，所以，本文将所有的单元恢复至初始设计的尺寸，即4个超级层单元转化成16个铺层的单层板尺寸是43x165（mm）。从而该弹翼自由尺寸优化的作用则是将超级层的比例进行了优化，也就是我们通过自由尺寸优化得到了每一角度铺层的厚度比例。弹翼尺寸优化设计前，经过剪裁设计后的等效层压板有限元模型如下图4.3所示：

    图4.3 自由尺寸优化剪裁后的有限元模型

4.2 尺寸优化

    在尺寸优化详细设计阶段，需要对层压板laminate进行整体和局部厚度的约束，如最大和最小层压板厚度；当然，还包括由自由尺寸优化设计转化来的铺层百分比，单层板厚度和对称铺设等工艺制造约束。等效弹翼尺寸优化设计三要素：

    尺寸优化设计变量：铺层厚度（16个ply）；

    尺寸优化设计约束：翼尖挠度不大于28mm，Hoffman失效系数小于1，最大主应变小于7900μ。

    制造工艺约束：单层板铺设厚度0.125mm；0度百分比不小于50%；其余角度不大于30%；层压板厚度最大4.25mm；45和-45铺层成对出现。

    尺寸优化设计目标：应变能最小化。