图1  翼盒结构图                                   图2   翼盒结构的有限元模型http://s14/middle/80a5ae31tc392af3ecacd&690    http://s13/middle/80a5ae31tc392af6a12ac&690

图3 上翼面自由尺寸优化后的厚度                                   图4 优化过程目标函数变化曲线

利用HyperMesh对翼盒进行网格划分，翼盒上下翼面蒙皮简化为平面，采用壳单元（CQUAD4）模拟，层合板材料为T800单向带，采用0°、±45°和90°四个超级层铺层，利用HyperLaminate对翼盒上下翼面进行铺层；5根梁与4根翼肋的腹板均采用壳单元（CQUAD4）模拟，凸缘均采用杆单元（CROD）模拟，材料均为铝合金（图2）。

基于OptiStruct优化设计方法包括三个阶段：第一阶段是自由尺寸优化，属于概念设计阶段；第二阶段是层组尺寸优化，属于系统设计阶段；第三阶段是层叠次序优化，属于详细设计阶段，满足各种性能要求下减轻重量。

在自由尺寸优化阶段考虑全局响应包括位移响应和质量响应，位移响应作为约束，质量响应作为目标；非强制的制造约束包括：单层厚度百分比要大于10%，以防任何方向的基体直接受载基体；单层厚度百分比要小于60%，以获得最好的挤压和旁路强度范围；自由尺寸优化后0° 、±45°和90°超级层以及总厚度如图3所示。自由尺寸优化后，翼盒结构的总质量减少了46.5%，设计区域（仅指上下蒙皮）的质量总质量减少了73.8%（图4）。 对各个超级层进行解析（图5）。考虑到工程实际，对形状不规则的形状进行裁剪，以便于制造（图6）。

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          图5 0°铺层超级层解析                                                       图6 0°铺层超级层裁剪   

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图7 上翼面尺寸优化后的厚度                                    图8 尺寸优化过程目标函数的变化曲线

在铺层块尺寸优化考虑需要所有的设计响应和非强制的制造约束，确定规定角度下的铺层数，确立基本的铺层结构。本文中翼盒结构的设计相应和制造约束和自由尺寸优化阶段相同，通过改变每一个设计变量的上限值，最终确定翼盒结构中上下蒙皮的每一个铺层块的铺层数，从而得到总的铺层数，尺寸优化后0° 、±45°和90°以及总厚度如图7所示。尺寸优化后，翼盒结构总质量的变化曲线如图8所示。

经过自由尺寸和尺寸优化， 翼盒结构的总质量减少了42.8%，设计区域（仅指上下蒙皮）的总质量减少了68%。

在铺层次序优化阶段用于决定最终的铺层顺序，需要考虑所有的状态响应和制造约束， 45°与-45°铺层对反向排列；最外铺层使用±45°的铺层，以提高损伤容限。

结论

利用HyperMesh和OptiStruct进行建模和有限元分析，其中复合材料蒙皮的建模是利用HyperMesh中的复合材料专用面板HyperLaminate中完成。优化设计方法包括三个阶段：自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化。这三个阶段可以依次一起使用，也可以单独使用其中的某一个阶段，该方法易于理解，使用方便，在复合材料层合板优化方面具有很好的实用性。采用了0° 、±45°和90°四个超级层，依次利用自由尺寸优化、尺寸优化和铺层次序优化三个阶段分别得到了每一个超级层的铺层比例、总的铺层数和最终的铺层顺序，在结构刚度满足要求的前提下，设计部分的结构重量明显降低总质量减少了68%，说明铺层优化方法的效率很高。