复合材料结构设计论文

摘要：轻量化技术是降低能源消耗、减少汽车排放、提高燃油经济性最有效的措施之一。轻质非金属材料在车身和开闭件领域的应用，是实现整车减重和节能减排的重要技术手段。本文针对某款小型电动汽车尾门，将钣金材料替换为复合材料，并对复合材料尾门结构进行优化设计，最大的实现汽车尾门的轻量化。下面是小编为大家整理的《复合材料结构设计论文(精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

复合材料结构设计论文 篇1：

大疫背景下《复合材料结构设计》网课教学策略与教学质量考核评价体系构建

摘  要：针对疫情期间，《复合材料结构设计》网课教学策略进行论述。讨论了影响在线教学质量的四个主要因素。针对疫情期间《复合材料结构设计》网课教学要求，详尽地阐述课前、课中、课后的教学策略。分析了疫情结束后，《复合材料结构设计》课堂教学模式及特点，论述了科教融合、产教融合的特质及实施可行性。构建在线教学的网课教学质量考核评价体系。

关键词：复合材料结构设计;在线教学策略;网课考核评价体系;疫情

前言

2020年2月24日，为实现疫情期间“停课不停教，停课不停学”[1]，经全体教师与教学管理者居家办公、积极筹备、精心谋划，哈尔滨工业大学迎来网课第一天，为别具风格的春季“开学日”带来新的模式——在线教学。所谓在线教学是通过某个网络学习平台，任课教师发布与课程相关的学习资源，学生自主学习，教师监控学习过程，评价与认定学习结果，技术服务人员为在线师生提供技术支持，共同实现教学目标，是师生分离且依赖网络平台对教学过程进行整合的一种新的教学模式[2-3]。至2020年2月2日，教育部针对疫情期间高等在线教学集结了包括雨课堂、中国慕课、智慧树、超星、腾讯、钉钉等22个在线课程平台，免费开放在线课程2.4万余门[4]。疫情期间，大规模开放在线课程成为很好地落实教育部“停课不停教，停课不停学”方案的有效途径，此种模式的实施使得教师与学生无需面对面接触、避免交叉感染，极大程度支持了抗“COVID-19新冠病毒”战役。

一、在线教学质量影响因素浅析

然而，“停课不停教，停课不停学”在线教学是在COVID-19疫情导致学校、师生无法正常開课的大背景下，教育行政部门做出的一个不得已而为之的举措[5]，临危受命、仓促上阵的在线教学，受到诸多因素制约，主要表现在以下四个方面。

（一）学习者自主学习与自我监控能力的影响

在线教学模式下，多数学生过于依赖教师，自主学习意识不强且能力差。主要表现在三个方面：其一，有效利用学习时间能力，通过课程监控发现，学生在线学习时，经常边观看网课边聊天或读小说、打游戏，有效学习的时间甚少。其二，有效利用优质教学资源能力，大规模网课与传统教学不同，学生置身于网络环境中，需要主动地与教师、同学交流、协作、建立连接、组建自适应的学习环境，即进行学习的自我组织，同时，教师作为网络课程的组织者、讲授者，设定学习主题、组织师生-生生互动、推荐优质学习资源与链接、促进生-生相互间分享和协作，即进行学习的他人组织。作为他人组织的学习支撑应遵循学习的自我组织规律，实现学习自我组织与他人组织间的动态平衡，而目前，在线学生缺失这种能力。其三，自觉适应网络学习方法能力，有许多在线学生是为了应付考试拿学分，学习策略不思改进，沿用传统的思维方式，学习效率不高，获取知识不全面，系统性差，对课程完整的理论体系认知性差，学习质量提高困难。

（二）教师教学设计与过程监控及考核方式的影响

教师作为课程组织者在网课教学中扮演着最重要角色，其职能包括：优选网络教学平台[6]（超星尔雅、钉钉、慕课、智慧树、腾讯学堂、学堂在线等）与教学模式（直播、录播、慕课、PPT文字等）、教学资源（电子教材、教学大纲、教学日历、参考资料、链接网址）、组织课程按教学日历时间段上课（录播视频授课+直播互动讨论+微信作业+QQ答疑），建立微信、QQ群保持与学生的沟通。优质的网课平台与教学资源的配置，恰当的组织形式与时间的分配，合理的考核方式与内容的设定，实时同步的在线学习效果与过程的监控，是保障在线教学质量的关键。

（三）教学管理者组织与质量监控及反馈机制的影响

为协助教师尽快熟悉并掌握在线教学技能，提高信息化教学水平，充分发挥现代信息技术优势，指导教师们优选网课平台，组织实施在线教学培训工作，开展网课质量管理与监控及评价、学生課堂管理等是教学管理者的主要职责，是支撑在线教学质量的关键。因此需要建设一套适合在线教学的师生管理和评价体系，进而形成在线教育的良好生存环境。此次大疫，对在线教学质量的质疑焦点是对学生如何管理。由于仓促开课，事先没有经验和预案，教育管理者在尺度的掌控、家长能否参与、在线学习质量效果如何评价等诸多焦点问题上表现得十分欠缺。

（四）技术服务与网络环境成熟度的影响

在线教育依赖网络环境成熟与否，尤其是直播授课，对于网络环境要求更高。网络质量直接决定在线教育的基础。中国教育信息化事业经十多年大力建设，在突发的大疫面前，以在线教育的形式，交出一份较合格的答卷。教育相关部门在最短时间内，为线上开学精心准备大量供各类学生学习的网络课堂：直播、录播、中国慕课、PPT文字等，但硬件建设远未达到实际使用量的需求。以往硬件网络建设多是根据“三通两平台”的基本要求实施，作为课堂教育的补充，应对日常教学需要是可以的，而面对众多学生同时上网课的情况，遭遇极大挑战，网课应用初期，流量不足、视频卡顿、死机、宕机、无法登录，手忙脚乱、漏洞百出，局面尴尬。然而，随着大数据、云课堂的介入应用，有效缓解此压力，网络环境与技术服务相对已成熟。

二、《复合材料结构设计》网课教学策略与设计

《复合材料结构设计》课程为哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所本科生课程，计划学时24，主要讲授关于复合材料设计的基本知识和典型结构件、典型产品的设计过程。课程内容包括：1. 复合材料的基础理论知识与基本性能（毕业指标点1.1、1.2、1.3）;2. 复合材料连接分类与形式设计（毕业指标点2.1、2.2、2.3）;3. 复合材料结构设计基础知识：原材料的性能与选择原则，成型工艺的选择，层合板的设计、结构设计的一般准则毕业指标点2.1、2.2、2.3;4. 复合材料典型结构件的设计：承拉杆件，承压杆件，承扭杆件，承弯梁，板状构件，壳状构件及夹芯结构（毕业指标点3.1、3.2、3.3）;5. 复合材料典型产品的设计：复合材料叶片和无人机机翼复合材料结构设计（毕业指标点4.1、4.2、4.3、6.1、10.2）。通过学习本课程，使学生能够掌握复合材料结构设计的理论方法和技巧，熟练掌握复合材料构件的设计与制备技术，拓宽复合材料结构的分析与设计能力，为毕业后从事相应科研工作奠定理论基础与技能。

该课程是哈工大本科高年级材料专业课，内容抽象、结构复杂、艰涩难懂。为此，设计了“认知自主学习——学生学习脉搏把握——适时调整线上教学内容——辅之线下教学——提升学生自主学习能力”的教学全过程。同时，为克服前述4点影响网课教学质量的因素，实现《复合材料结构设计》课“小课堂”与抗击疫情“大课堂”有机结合，在教学策略的策划上，主要依据学生自主学习能力、任课教师网络信息操控能力、教学管理者组织能力、网络技术成熟度、本课程的教学内容和目标、毕业达成度要求等教学条件，制定两个阶段授课方案。

第一阶段网课模式（学生返校前），采取“线上录播授课+讨论互动+微信作业+QQ答疑”教学模式。

第二阶段面授模式（学生返校后——学期末），采取小班授课（PPT授课+讨论+项目驱动+学术共同体+个别辅导），灵活多样的授课形式。

（一）课程网课教学设计策略

第一阶段网课教学设计策略分为课前准备、课中执行、课后考核总结三个过程，网课平台选择智慧树，采用课前录播的形式开展教学。每节网课通过精心研究教学内容，合理安排时间，尤其是思考讨论题设计，引发学生思考，帮助学生尽快掌握相关理论知识，提升结构设计能力，保证教学质量的不断提高。

课前准备：发布单节教学内容和逻辑思维导图，要求学生阅读电子教材，同步发布讨论题进行师生互动，引导学生有重点地观看课程视频，学习教学内容、思考讨论题。

课中执行：课程视频播放、线上同步讨论和同步练习环节，教师点评，师生-生生互动。

课后考核：布置线下作业、延时讨论和线下大作业，达到将线上教学内容消化理解、融会贯通和教学内容拓展学习的目的，结合线上非标准化考试检验学生自主学习能力。

（二）“科教融合、产教融合”的课堂教学模式

第二阶段面授按照科教融合、产教融合的新教学模式执行，采用PPT讲授+讨论+项目驱动+学术共同体+个别辅导。

产教融合、协同育人[7]意味着企业、产业与教育深度合作，校企合作，“引企入教”，吸纳引入优秀企业工程技术人员参与高校人才培养，汇集校内外资源提升人才培养能力，是紧密连接高校与企业、人才培养与创新创业的关键环节。哈工大复合材料与结构研究所和中国航天企业合作，根据本课程特点，任课教师与企业合作，将企业的工程项目引入课堂，以项目驱动教学模式训练学生的复合材料结构与产品设计能力，形成专业与企业浑然一体的新型教学模式。

科教融合、协同创新[8]是一流大学办学的核心理念，科教融合核心内涵是首先需要组建“学术共同体”，教师与学生在“学术共同体”中进行互动式学术探究，在“科研-教学-学习”过程中实现专业知识的创新、传授、传播和传承。使教学与科研相互促进、相辅相成。施行科教融合培养人才，就是以学生发展为中心，强化科研同教学的联系与结合，把先进的科研资源转化为优质的育人资源，把科研设施平台转化为教学创新平台，将科研成果与理论转化为课堂教学内容，真正开启研究性教学、探索式自主学习。

三、《复合材料结构设计》网课考核评价体系与指标设计

为保证本课程的在线教学效果，任课教师全程跟踪监控，监督学生的学习过程表现，通过教学平台，追踪学生IP、查看签到、在线学习时长、每章节测试参与度与准确率等，在一定程度上掌握学生的学习表现和效果，章节测试低于60分学生采取“打回”重学的办法，使学生对知识能够进一步理解和记忆，并按照毕业指标点达成度要求对学生在线学习情况设计课程考核内容和指标，主要考核三部分内容，参阅表1。

1. 在线参与度（30%），签到、视频观看时长、电子教材阅读次数、互动讨论参与次数及在线任务完成情况等。

2. 在线活跃度（30%），在线表现、同步跟帖发言、弹题抢答次数、在线同步测试准确率等。

3. 线下作业及大作业（40%），文献查阅篇数、问题分析深浅、研究方案合理性、撰写质量优劣、网上提交速度等。

四、结束语

大事难事看担当，危难时刻显本色。疫情期间，为保证《复合材料结构设计》在线教学质量，加强网课教学互动讨论，建立科学教学质量考核评价体系是关键。通过优选网络教学平台与资源、优化教学组织与管理流程、优质的录播教学、深度理论研讨、尖锐的专业性疑点提问等环节，实现了线上线下融合，切实做到“停课不停教，停课不停学，在线教学胜疫情”。

参考文献：

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[2]乔纳·唐纳森.大规模开放——慕课怎样改变了世界[M].华东师范大学出版社，2015.

[3]童晶.论在线课程与高校教学融合的发展与运用——评《大规模开放：慕课怎样改变了世界》[J].中国科技论文，2019（09）：1062.

[4]焦建利，周晓清，陈泽璇.疫情防控背景下“停课不停学”在线教学案例研究[J].中国电化教育，2020，398（03）：106-113.

[5]教育部.关于统筹做好教育系统新冠肺炎疫情防控和教育改革发展工作的通知[S].教党〔2020〕16号，2020.

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[7]陆利军.产教融合校企合作协同育人[J].现代职业教育·职业培训，2016（18）：184-185.

[8]刘玉荣，张进，韩涛.基于协同创新、科教融合理念培养创新型人才[J].高教学刊，2018（06）：35-37.

作者：方国东 解维华 易法军 许承海 孟松鹤

复合材料结构设计论文 篇2：

小型电动汽车复合材料尾门结构设计与优化

摘 要：轻量化技术是降低能源消耗、减少汽车排放、提高燃油经济性最有效的措施之一。轻质非金属材料在车身和开闭件领域的应用，是实现整车减重和节能减排的重要技术手段。本文针对某款小型电动汽车尾门，将钣金材料替换为复合材料，并对复合材料尾门结构进行优化设计，最大的实现汽车尾门的轻量化。首先简单介绍了拓扑优化理论和方法，然后对比了钣金材料与复合材料的重要性能，接着利用OptiStruct软件对塑料尾门进行有限元分析，以及性能和重量的优化设计。最终，在满足刚度性能条件下，尾门减重高达30%。本文对注塑成型的纤维增强塑料尾门进行结构优化设计，实现了汽车尾门的轻量化，具有较高的工程实用性。

关键词：轻量化;复合材料尾门;拓扑优化;OptiStruct

1 引言

据报道：汽车减重10%，燃油消耗降低6%-8%[1];对应欧盟CO2排放指标，汽车自身每减少100kg，CO2排放可降低10g/km[2]。目前，实现轻量化主要有两个途径[3]：一是使用如铝合金、工程塑料等轻量化材料;二是采用CAE技术优化汽车相关结构。在能源匮乏的时代背景下，节能减排成为全球的重要目标。一部分车企通过减少气缸数目来实现节能减排，一部分车企通过优化白车身结构实现轻量化。通过钣金材料的优化减重效果并不明显，于是各大企业纷纷研究复合材料，用于替换传统钣金材料。

纤维增强塑料相比传统金属材料而言，具有密度低、比强度高、比模量大等优势。但是，由于纤维增强塑料具有各向异性力学特性、材料组分复杂性、材料热力学特性和损伤机理复杂性，使其在结构设计、制造工艺等方面存在着巨大差异。如何有效设计、分析及高效制造纤维增强塑料汽车零部件成为汽车领域的一种新挑战。为解决这一难题，国内外学者做了大量研究。邢号彬等[4]人在复合材料汽车尾门的轻量化设计中，用CAE技术对尾门进行刚度、模态、热变形分析，最终优化后的塑料尾门相比钣金尾门减重5kg，同时大大提高了造型自由度;李多等[5]人，在保证刚度的要求下，将某款SUV汽车的尾门用塑料材质替换传统金属材料，利用HyperMesh软件在多种工况下进行刚度分析，针对一些不能满足目标工况的结构进行了局部优化，在局部质量增加较少的情况下，实现了尾门刚度的大幅提升;韩旭等[6]人使用 HyperWorks 軟件对白车身结构件进行厚度优化，使白车身减重6%的同时，车身的弯曲、扭转刚度以及一阶扭转模态性能都有提升;美国航天航空局兰利研究中心和SGI公司以及福特汽车公司车辆安全部门共同进行了基于碰撞安全性能和NVH性能的轿车BIP（Body In Prime）轻量化研究[7];韩国汉阳大学应用超轻钢车身（Ultra Light Steel Auto Body，即ULSAB）的设计理念和拼焊板工艺，对某轿车的前门内板进行了轻量化设计[8];密西根大学和通用汽车公司，以碰撞中最大吸能为目标，用拓扑优化技术进行零件设计，使零件在满足吸收碰撞能量的条件下实现减重目标，此技术已应用到某款轿车后围结构上[9]。瑞典林雪平大学以安全为前提，对轿车B柱进行轻量化研究，以质量最轻为目标，约束条件为B柱变形中的最大速度，变量为B柱各段的厚度，实现了满足安全性能条件下减重25%[10]的目标。

本文结合实现轻量化的两种途径，使用复合材料替换传统钣金尾门，并对复合材料进行结构优化设计，最大程度实现轻量化。

2 拓扑优化理论和方法

结构优化的目的是使结构在满足一定功用的前提下尽可能的降低成本或者取得最佳性能[11]。分为形貌优化、尺寸优化和拓扑优化。本文采用拓扑优化，在产品研发的初级阶段，定义好产品设计空间、设计目标、设计约束和加工制造条件等信息，OptiStruct将通过拓扑优化技术，根据这些信息求解出一个不仅满足设计约束，而且达到各方面性能最优的结构拓扑设计方案。这里简单介绍一下拓扑优化的理论和方法。

2.1 拓扑优化理论

拓扑优化应用在产品开发的初级阶段，用户定义产品的设计空间、设计目标、设计约束和加工制造条件等信息，OptiStruct将通过拓扑优化技术，根据这些信息求解出一个不仅满足设计约束，而且达到各方面性能最优的结构拓扑设计方案，如图1所示。拓扑优化利用OptiStruct求解器，基本流程如图2所示。拓扑优化设计分为离散体拓扑优化和连续体拓扑优化。离散体结构包括桁架、网架和钢架等，离散体结构拓扑优化是在满足给定边界条件下，寻找最优布局;连续体结构主要包括平面结构、板壳结构和实体结构等，在满足设计条件下，在给定设计区域内寻找最优的材料分布，得到最优的拓扑形状。

2.2 拓扑优化方法

拓扑优化的方法包括均质化方法、相对密度法、进化结构优化方法和双向进化结构优化方法。

1）均质化方法：在拓扑结构的材料中引入微结构单胞。以微结构单胞为设计变量，单胞的消长实现微结构的删减，来改变结构的拓扑形状。实体材料所占的面积可用式1表示，单元的密度函数可用式2表示。

Ωs=∫Ω（1-ab）dΩ              （1）

ρ=（1-ab）ρs                    （2）

式中：Ω-设计区域;Ωs-实体区域;ρs为材料的密度;a、b为设计参数，其中0≤a≤1，0≤b≤1。

2）相对密度法：引入一种假想的相对密度在0～1之间可变的材料。直接假定设计材料的宏观弹性常量与其密度的非线性关系。固体各项异性材料罚值模型SIMP （solid isotropic microstructure with penalization）法和材料属性合理近似模型RAMP（Rational Approximation of Material Properties）法。分别可由式3和式4表示。

Eijkl（x）=ρ（x）pE0ijkl           （3）

∫Ωρ（x）dΩ《V                    （4）

式中：V-材料的允许使用量，表示设计过程中的设计空间;P-罚因子;设计变量x∈Ω;Eijkl-材料的伪弹性模量。

3）进化结构优化方法：起源于应力设计技术，低应力或低应变能量密度的材料是低效的可以去除的。材料的去除可以通过改变作为应力或应变能量密度函数的弹性模量或直接删去那些低应力或低应变能量密度的材料空间。

4）双向进化结构优化方法：能够同时删除和增加材料进化结构优化的方法，即在删除低效材料的同时增补高应力区域周围材料，初始设计的区域可以比较小，从而提高计算的效率。

3 钣金材料与复合材料对比

某款小型电动汽车的尾门原始设计为钢板结构，如图3所示。此处将钢板材料替换为复合材料。

经过测量，原钣金尾门总重11.99kg，除去玻璃及金属铰链后，尾门焊合总成总重7.527kg;替换为复合材料后，复合材料尾门总重为10.13kg，除去玻璃及金属铰链后，尾门焊合总成总重5.542kg。焊和总成重量降低了1.985kg。

替换后，尾门重量有所下降，由于复合材料密度明显小于钣金材料，所以复合材料尾门厚度大大增加。为进一步降低尾门重量，接下来对复合材料尾门进行结构优化与设计，在保证相关性能的基础上，最大限度的降低尾门重量。

4 塑料尾门结构优化仿真分析

4.1 结构优化

上面将传统钣金尾门替换为塑料尾门后，重量明显下降，但复合材料厚度有所增加，这里对复合材料尾门进行厚度优化。塑料尾门由尾门内板、尾门外板、加强板等组成。塑料尾门外板材料由注塑成型完成，选择材料时需考虑注塑工艺相关要求。由于尾门的主要受力结构是尾门内板和加强板，故这里仅对尾门内板和加强板做仿真优化，同时选择材料时需考虑刚度要求及周围零件安装需求。

对尾门进行轻量化研究，以拓扑优化技术为指导，以质量最轻为目标，以刚度为约束条件，变量为尾门的厚度。塑料尾门由注塑成型完成，所以对结构要求很高，考虑锁、安装孔及安装工艺和维修便携性，对锁扣上方结构进行开孔设计。

根据拓扑优化的理论和方法，使用OptiStruct求解器对尾门内板进行结构优化设计。优化后尾门焊和总成重量由5.542kg降为4.942kg，进一步减重0.6kg。优化前后如图4所示。

4.2 扭转刚度优化

扭转刚度作为汽车尾门关键性能之一，用复合材料替换传统钣金材料以后，扭转刚度差距明显。根据项目要求，实现复合材料尾门后，性能需与原钣金尾门相当，故以原钣金尾门扭转刚度为目标进行了本次优化。在内板材料、厚度不变的基础上，对复合材料内板结构进行扭转刚度优化，优化过程如图5所示。加载变形由优化前的136.67降低为76.28，卸载变形由优化前的4.13降低為0.75，扭转刚度明显提升，如表1所示。

图5扭转工况拓扑优化云图中，红色区域表示重要区域，可以看做是最佳起筋条的区域。蓝色部分代表的是非重要区域，可挖空节省材料，降低重量。掏空非重要区域后，将内板封板区域结构设计成V型，最终实现了扭转刚度的提升，同时降低了重量，节约了材料。在对标车——新奇骏内板封板区域结构也能看到类似V型结构，如图6所示。

4.3 肋板优化

结合前面优化结果，对尾门肋板采取拓扑优化和形貌优化相结合的方式。在尾门扭转工况下，约束条件设置为体积比小于0.3，尾门总质量保持9.53kg不变，刚度保持不变，拔模x向约束，对称约束，优化目标使应变能最小。优化设计结果如图7所示，图中红色区域为重要区域，故在红色区域做加强板，筋条设计采用W型筋条。

5 结论

本文在某量产小型电动汽车尾门的基础上进行轻量化设计，将尾门原本的钢板材料替换为复合材料，并利用OptiStruct对塑料尾门进行结构优化设计。在保证刚度要求的基础上，将尾门内板封板区域结构设计成“V”型结构，将尾门肋板设计为“W”型筋条。将尾门材料由钢板替换为复合材料后，重量大大降低，并在此基础上进一步优化设计，最大限度轻量化，重量变化情况和扭转刚度变化情况如表2所示。

塑料尾门的应用，除了在轻量化方面能实现30%以上的减重以外，在技术方面也存在巨大优势。在造型方面，具有高的自由度，复杂的造型曲线，时尚靓丽的外观;在零件集成方面，大大减少零件数量，减少模具等工装数量，供应商直接供货尾门总成;在做工方面，外观质量好，装配间隙小，具有更高的尺寸精度;在制造方面有大大提升，具体表现为冲压车间无需冲压，车身车间无需焊接，涂装车间无需电泳、喷涂等。

柳州市科学研究与技术开发计划（柳科计字2017第19号）资助项目。项目名称：汽车纤维增强塑料覆盖件设计制造关键技术研究与产品开发（2017AA10104）。

参考文献：

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[11]周克民.结构拓扑优化的一些基本概念和研究方法[J].力学与实践，2018，第40卷第3期（246）.

作者：柏宏 刘晶 彭丹

复合材料结构设计论文 篇3：

民用飞机复合材料翼面结构设计优化研究

摘 要：碳纤维复合材料（CFRP）已成为民用飞机结构的主材料。特别是复合材料在机翼、尾翼结构上的应用，对于民用飞机减轻结构重量，改善飞行品质，降低维护成本，延长使用寿命等方面具有显著效果。该文面向飞机复合材料结构的工程研发，研究并总结了复合材料翼面结构设计与优化的任务、方法及流程。通过算例分析验证了方法的有效性及适用性。

关键词：民用飞机 复合材料 翼面结构 设计优化

随着碳纤维复合材料（CFRP）在民用航空制造领域的应用和发展，出现了以波音B787为代表的先进民用干线飞机进入航线服役。据统计，B787飞机全机结构中复合材料用量占50%，而空客公司正在研发的A350飞机也将达到该水平。碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高，力学性能可设计，耐腐蚀，抗疲劳等特点，在民用飞机结构的减重，改善气动弹性特性及操纵品质，延长使用寿命及检修间隔，降低运营成本等方面具有显著意义。

与金属结构不同的是，复合材料结构的设计参数除几何尺寸外，还需进行铺层设计。而设计优化正是通过对结构的力学分析，进而设计材料铺层，以改善或强化材料的力学性能。在工程领域，优化属于设计的范畴，也是民机设计的题中之义。

近年来，我国航空复合材料的设计和制造能力有了突飞猛进的发展，整个民机产业也积累了大量设计经验，形成了相对体系化的复合材料飞机结构设计准则。基于此，面向工程的复合材料结构设计优化技术已成为民机设计领域研究的重点。

1 民用飞机翼面结构设计任务描述

民用飞机的翼面主要包括：机翼、平尾、垂尾。民用飞机的任务需求及性能包线决定了民机翼面结构均采用升阻比高的大展弦比翼面。因此，民机的翼面结构面临较为突出的气动弹性问题。在工程设计领域中，民机翼面结构按刚度设计，即在保证翼面刚度的情况下，完善翼面结构的静强度、稳定性、疲劳及损伤容限耐久性等方面需求，最终给出满足所有设计需求及约束，且重量最轻的翼面结构设计方案。

综合以上论述，复合材料翼面结构的设计优化任务可以表达为：

2 复合材料翼面结构设计优化方法

由于复合材料翼面结构设计优化规模极大，耦合关系复杂，自变量与目标函数、约束方程之间难以进行简单的线性描述，因此，针对以上优化问题通常采用准则法。即将设计约束转化为多个优化准则。利用lagrange乘子法对各准则系数进行计算，寻找满足优化条件的一组自变量，其对应解即为最优解。

但是基于以上方法，在工程上仍然难以实现有效、快速的设计优化。原因是复合材料翼面结构的各设计参数之间，以及自变量与准则函数之间存在复杂的耦合关系，难以线性解耦。

变量解耦的目的是进行合理的变量连接，提取独立设计变量。工程应用中，往往将复杂的准则函数解耦为简单的尺寸变量区间。以翼面刚度设计为例，翼面结构设计需满足防止翼面发散所需的弯扭刚度，以及防止颤振所需的自振频率要求。而自振频率又与翼面弯扭刚度存在某种函数关系。工程上，通常定义典型翼剖面的弯扭刚度或翼面前、后梁挠曲线作为结构刚度设计指标，即满足该刚度指标可同时满足发散和颤振两方面设计要求。在最终的设计优化流程中，翼剖面弯扭刚度又可简单转化为尺寸变量的设计区间，如：翼面蒙皮的厚度区间，或翼梁缘条的截面积区间等。

对于复合材料结构而言，铺层的设计优化同样存在解耦问题，比如，铺层数量、铺层准则与层压板厚度的函数关系。以此为例，工程上可将之分为两步：一.根据手册，设计铺层比例、铺层角及铺层主方向，得到合理的等效模量E、G及泊松比μ；二.按照均匀材料的结构进行尺寸优化，并定义尺寸变量及设计变量区间。

最后，在结构详细设计阶段，工程师根据尺寸优化的厚度，反向设计铺层数量及排列，并需严格符合步骤一中的材料力学性能。需指出的是，复合材料结构的细节设计目前还无法纳入本文所研究的设计优化流程。因此，详细设计能否贴合初步优化结果的要求，目前阶段很大程度上由工程师的经验及专业技能决定。

3 复合材料翼面结构设计优化流程

在完成变量定义、目标函数定义、及解耦方法定义等工作基础上，需针对复合材料翼面结构的特点制定有效的设计优化流程。以民机水平尾翼复合材料翼盒的设计优化为例，翼盒布置采用常规的密肋式布局。沿展向布置有前、后梁，翼梁之间沿弦向布置肋，上、下蒙皮为复合材料整体加筋壁板构型，如图1。因此，其设计优化流程可以定义为以下步骤：

首先，确定翼盒的布置（layout design），并对典型结构的铺层比例进行确定。根据上游设计部门定义的各控制剖面扭转刚度GJ，可以计算得到翼盒蒙皮各剖面间的厚度。依据工程经验，初步确定蒙皮的等效剪切模量及铺层比例。根据外载荷的展向分布，可确定各剖面单位宽度蒙皮上的内力，由此计算各剖面间蒙皮沿弦向的临界失稳宽度，并确定长桁间距及布置。初步定义长桁的等效拉伸模量，及长桁截面积与蒙皮有效宽度截面积之比，由此可确定各剖面间长桁的截面积及刚度。计算各控制剖面间长桁加筋壁板的欧拉失稳临界宽度，据此确定翼肋的布置。

第二步，尺寸优化（sizing）。定义各单元变量及变量区间，及应变许用值。根据蒙皮厚度变量区间上限，按四边简支计算每个格间蒙皮的临界失稳内力，并以此作为蒙皮单元的最大工作内力（maximum running load）。各单元尺寸变量区间的上、下限可根据刚度、及损伤容限最小厚度约束定义。在完成以上定义后，按准则法进行结构尺寸优化。具体设计优化流程见图2、图3所示。

最后，根据最优化方案进行结构详细设计（detailed design），发出设计图纸、数模等生产数据。

算例分析

根据以上算例，建立有限元模型。其中，包含SHELL单元255个，ROD单元426个，BEAM单元12个，如图4。校核工况选取翼面下弯最大工况。选用主材料为T800级碳纤维单向带。按单元完成变量的首轮定义，并借助MSC的DESIGN STUDY模块，按以上流程设计优化。

单元尺寸优化结果

表1、2分别显示了SHELL单元对应位置蒙皮、梁腹板的厚度尺寸优化结果。

图5、6显示了梁单元截面积的迭代结果。

4 结构重量迭代结果

重量迭代结果如图7所示。

由图7可知：满足静强度、刚度、稳定性及损伤容限准则要求的水平尾翼翼盒结构经过6轮迭代，结构减重28.2 kg。

5 结语

本文对民用飞机复合材料翼面结构的设计优化进行了研究，应用准则法建立了一套工程化的设计优化方法及流程，并通过了算例试算的验证。综合以上分析，可以得到以下结论：

1）通过本文基于准则法建立的优化方法所得到的最优化解，从数学上来看属于局部最优解。这取决于优化准则建立得是否完备，以及变量解耦方法是否完全符合工程实际等方面。此外，由于复合材料铺层设计的复杂性，设计结果难以完全符合最优解，需要工程经验的调整和完善。由此可见，在复合材料翼面结构设计优化的所有环节中，现阶段仍需人工参与。

2）本文建立的复合材料翼面结构优化方法基于目前工程研发架构和流程，综合考虑了复合材料结构优化及民机翼面设计的特点。进一步的，引入全机结构的设计特点，可以建立更为完备通用的优化准则和优化方法。

3）进一步的工作可以引入遗传算法，对铺层准则建立遗传法则，在本文介绍优化流程的基础上，自动地完成铺层排列的细节设计，减少优化流程中的人工干预，降低研发过程中的人力成本，使工程设计的结果更为逼近全局最优解。

参考文献

[1] 李为吉，宋笔锋，孙侠生，等.飞行器结构优化设计[M].北京：国防工业出版社，2005-12.

[2] 杨乃宾，章怡宁编著.复合材料飞机结构设计[M].北京：航空工业出版社，2002-05.

[3] 飞机设计手册总编委会编，飞机设计手册，第九册，载荷、强度和刚度[M].北京：航空工业出版社，2001.

[4] E.F.BRUHN， ANALYSIS AND DESIGN OF FLIGHT VEHICLE STRUCTURES， 1973 edition， Published and Distributed by Jacobs Publishing， INC. U.S.A， 1973 Published.

作者：赵荃 黄豪杰