典型的飞行器多组件结构系统布置
拓扑优化过程
设计中往往组件位置已提前指定，结构设计完 全依赖于组件的预设位置而进行布局。该项目首先 建立了拓扑优化设计域模型，并且留出了设备组件 安装所需要的空间，将设计域离散为有限个实体单 元，设定工况并优化求解，最终得到的满足质量和 自振频率的拓扑优化构型如图(b)所示。 安装上多个功能性设备组件的效果图如图(c) 所示。可以看到，该卫星连接结构不仅通过底部 与火箭相连接，同时还延伸连接到卫星顶部的挂 钩上，并且将多个功能性的组件紧密地连接在一 起，实现了预定的设计要求。
机翼初试方案 机翼气动/结构参数化定义 确定全局设计变量 用实验设计确定样本点
参数化外形CAD模型和结构布置CAD模型
气动文件，DV
加 入 新 的 样 本 点
结构文件，DV
分布 气动力
气动优化 目标：阻力最小 约束：气动约束 变量：DV1
结构优化 目标：重量最小 约束：结构约束 变量：DV2
结 构 节 点 形 变
在对结构进行拓扑优化后，有必要对 结构局部尺寸和外形进行详细设计，以满足 最终工程应用要求。
参考文献：
[1]胡添元，余雄庆，多学科设计优化在非常规布局飞机总体设计中的应用 [J]. 航空学报，2011,32(1),117-127； [2]余雄庆,飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向,南京航空航天大学报 [J],2008,40(4),417-426； [3]朱继宏,高欢欢,张卫红,周莹,航天器整体式多组件结构拓扑优化设计与应 用[J],航空制造技术,2014(14),25-29；
[4]胡婕,王如华,王稳江, 余雄庆,客机机翼气动/结构多学科优化方法,南京航 空航天大学报[J],2012,44(4),458-463.等
谢谢
案例一：客机机翼气动／结构多学科优化
总体设计变量 （后掠角、展玄比、环量 展向的控制系数）
气动设计变量 （翼型弯曲参数、特 征剖面扭转角）
结构设计变量 （梁缘条、腹板厚度）
案例一：客机机翼气动／结构多学科优化
多学科设计优化为客机机翼气动效率与重量之间的权衡分 析提供一个有效的工具。实现这一目标的关键： (1)机翼参数化模型；
(2)气动模型和结构模型的自动生成技术；
(3)气动与结构的耦合关系分析；
(4)实用有效的多学科设计优化方法。
(1)机翼参数化模型
翼型形状采用基于形状函数 和分类函数的参数化模型。
机械结构多学科优化
— —航天器结构/多学科优化实例研究
第三
dxl
案例一：客机机翼气动／结构多学科优化
在飞机初步设计阶段，机翼设计主要包括气动设计和结构 设计。 气动设计的任务是确定机翼外形，在保证有足够升力的 前提下，使机翼升阻比尽量大。结构设计的任务是选择结构 布局形式，确定结构件尺寸，在保证结构完整性的前提下， 使结构重量尽可能轻。因此，机翼设计应兼顾气动效率要求 和结构重量要求，其关键是找到飞机气动效率与重量之间的 恰好折衷。 工程估算方法也可进行气动效率与重量的权衡分析，但 这种方法精度较低。随着空气动力学和结构有限元方法的不 断成熟和普及，应用多学科设计优化(MDO)方法研究机翼初 步设计受到了广泛的关注与应用。
机翼升阻比和质量的ຫໍສະໝຸດ 优解集案例二：航天器多组件结构系统设计
以航天器多组件结构系统设计为例，介绍了近年来拓扑优 化技术在航天器多组件结构系统设计中的工程应用情况
卫星内部会安装多个功 能性设备组件以实现一项或 多项功能，受限于有限的卫 星体积要求，卫星内部结构 在几何空间上具有强烈的冲 突，这就对卫星内部结构的 设计提出了更高的要求。
（5）客机机翼气动／结构多学科优化算例
设计目标：①升阻比尽量大②重量尽量小。 设计约束：①满足升力系数要求；②满足强度、刚度要求；③油箱体积 要求。 设计变量：①外形参数；②结构参数。
结果评价 基于气动/结构的MDO设计方法得出 的最优解集有助于设计人员进行机翼气动 效率与重量之间的权衡分析，确定出最合 理的机翼总体参数。
机翼结构采用基于构型参 数和属性参数的模型。
(2)气动模型和结构模型的自动生成技术
CATIA二次开发自动生 成的气动网格模型。
机翼结构有限 元模型。
（3）气动与结构的耦合关系分析
气动载荷分布 结构重量
气动力
结构弹性变形
气动模型表面与结构模型表 面一致，可以编写插值函数程序 对机翼施加载荷。
(4)实用有效的多学科设计优化方法
静气动弹性分析 获取总体性能参数 构造代理模型
不收敛
检验代理模型精度
收敛
系统级优化
机翼气动/结构集成模型
子系统优化迭代
初始化
气动优 化设计
结构 优化 设计 迭代计算过程
静气动 结构分 析
参数收 敛判断 计算
含多个设备组件的卫星连接结构设计
卫星连接结构需要解决的问 题是设计卫星内部固定各个功能 组件的一体化连接结构，使整个 卫星系统可以在4个工况满足力 学性能设计要求：火箭发射时的 加速度载荷工况(主工况)、两个 模拟结构系统横向振动的工况以 及地面操作工况。 同时，卫星连接结构的质量 必须低于预设质量，总体自振频 率必须高于35Hz。