蜂窩芯結(jié)構(gòu)參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化研究.pdf

1、相比與傳統(tǒng)飛行器，飛行在天空中的現(xiàn)代飛行器如果擁有自適應(yīng)機(jī)翼，就可以輕松的應(yīng)對(duì)各種空中環(huán)境變化，主動(dòng)的去改變飛行狀態(tài)適應(yīng)飛行狀況，使機(jī)翼可以自動(dòng)的彎曲、扭轉(zhuǎn)、伸縮和變后掠角等變形，以便飛行器達(dá)到最優(yōu)的續(xù)航和機(jī)動(dòng)性能。與傳統(tǒng)的人工操縱舵面相比較自適應(yīng)飛行器機(jī)翼可以實(shí)現(xiàn)更佳的機(jī)動(dòng)性、更大的荷載能力、更小的整機(jī)比重和卓越的續(xù)航能力?，F(xiàn)代智能自適應(yīng)飛行器機(jī)翼外形結(jié)構(gòu)的改變不僅需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也需要具有較強(qiáng)荷載能力的蒙皮結(jié)構(gòu)作為支撐體

2、。目前國際上普遍使用的機(jī)翼蒙皮無法滿足荷載和大變形兩方面要求，并且其抗振能力需要進(jìn)一步提高，成為新型飛行器研究關(guān)注的焦點(diǎn)和重點(diǎn)。本文基于課題組的國家級(jí)自然基金課題（編號(hào):51075380）“超彈性蒙皮結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、變形機(jī)理研究”，同時(shí)人們?cè)絹碓街匾晫⒎涓C芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超彈性蜂窩芯單元蒙皮結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究。傳統(tǒng)的蒙皮結(jié)構(gòu)存在不足，針對(duì)負(fù)泊松比六邊形蜂窩芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及當(dāng)今蒙皮的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，采用柔順蜂窩芯布局應(yīng)用于超彈性蒙皮蜂窩芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，希

3、望能夠完成集變形能力、結(jié)構(gòu)剛度、輕質(zhì)和抗振等方面全航程性能俱佳的自適應(yīng)機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)。而負(fù)泊松比六邊形蜂窩單元結(jié)構(gòu)作為超彈性蒙皮的核心部分，對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的研究成為超彈性蒙皮研制的首要問題。
　　本文中，對(duì)負(fù)泊松比六邊形蜂窩芯結(jié)構(gòu)的單元尺寸參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。以提高蜂窩芯結(jié)構(gòu)抗振能力和盡可能減小其結(jié)構(gòu)質(zhì)量為研究目標(biāo)，運(yùn)用響應(yīng)面理論經(jīng)典數(shù)學(xué)模型，建立了蜂窩芯結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)固有頻率的近似顯式表達(dá)式;采用加權(quán)系數(shù)法對(duì)各個(gè)目標(biāo)加以一定的權(quán)重系

4、數(shù)，將固有頻率和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的多目標(biāo)優(yōu)化問題變化成為單目標(biāo)優(yōu)化問題，最后應(yīng)用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化。具體算例表明，參數(shù)優(yōu)化后的蜂窩芯結(jié)構(gòu)固有頻率較大的提高，結(jié)構(gòu)質(zhì)量相應(yīng)的減小，以蜂窩芯單元結(jié)構(gòu)尺寸的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)為超彈性柔順蜂窩蒙皮布局設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。
　　本文首先分析了智能變形飛行器和自適應(yīng)機(jī)翼的概況和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)幾種可變形蒙皮進(jìn)行了簡要分析，著重分析了本文的研究基礎(chǔ)和重點(diǎn)——負(fù)泊松比六邊形蜂窩單元結(jié)構(gòu)，本文所有研

5、究內(nèi)容以此為研究對(duì)象展開，列出了研究內(nèi)容和框架，奠定了論文的研究意義和地位。
　　然后基于響應(yīng)面法對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)固有頻率建模，對(duì)響應(yīng)面法的相關(guān)原理和技術(shù)進(jìn)行了厘清，通過響應(yīng)面經(jīng)典數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了響應(yīng)面系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而為后續(xù)固有頻率數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)奠定了基礎(chǔ)。并給出了由響應(yīng)面方法建立的數(shù)學(xué)模型檢驗(yàn)方法;對(duì)響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)過程中使用的試驗(yàn)方法——正交試驗(yàn)法——進(jìn)行了分析和實(shí)際應(yīng)用。用有限元進(jìn)行蜂窩單元模態(tài)仿真分析，分析了有限元方法的基本

6、原理和有限元軟件ANSYS的基本原理和基本操作。使用有限元軟件ANSYS對(duì)負(fù)泊松比六邊形蜂窩芯單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化建模，并用正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，得到了一階固有頻率值，并推導(dǎo)出蜂窩芯單元尺寸參數(shù)與一階固有頻率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。
　　最后用遺傳算法對(duì)蜂窩芯單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，基于MATLAB遺傳算法優(yōu)化工具箱對(duì)經(jīng)典遺傳算法的不足進(jìn)行了改進(jìn)，將固有頻率數(shù)學(xué)模型結(jié)合質(zhì)量數(shù)學(xué)模型兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到了很好的優(yōu)化數(shù)據(jù)