高承载接头的优化设计研究

摘要

在飞机结构设计过程中，一些重要部位承受着巨大的集中载荷或者冲击力，这些部位一般会采用高承载接头、螺栓连接的结构形式。高承载接头承受的载荷普遍很大，因而很容易出现破坏而失去承载能力，从而影响飞机的安全。同时，尽量降低结构重量是整个设计过程中最重要的指标之一。重量的减轻能够改善飞行器的航程和作战半径、提高飞机的机动性、降低使用成本。因此，在满足力学性能的条件下尽量降低接头的重量具有重要的意义。
　　本文基于HyperMesh软件的二次开发功能，制订了一套适用于高承载接头的优化设计流程，综合考虑了接头的布局、形状和尺寸优化变量。其基本思路是：在初始模型的基础上自动建立众多不同布局的接头模型，对每一种模型进行形状优化和尺寸优化，通过比较优化结果得到最优结果。具体流程是：首先，建立接头的有限元模型；通过静力分析，了解高承载接头结构的应力分布和传力路径，为后续优化模型的建立提供依据；其次，修改有限元模型，建立接头的初始优化模型，在初始模型上设置好形状优化和尺寸优化变量以及响应函数、约束函数和目标函数；然后，在初始优化模型的基础上进行参数化建模，自动更新设计变量和响应函数，建立完整的优化模型；最后提交分析，得到最优的高承载接头结构。
　　优化结果表明，该方法效果明显，也同时验证了本文所提优化流程的可行性和有效性。该方法同样可以适用于类似结构的优化设计中。

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注释表

第一章绪论

1.1 结构优化技术的原理与应用

1.1.1 优化问题的数学模型

1.1.2 结构优化技术应用现状

1.2 本文的主要研究内容

第二章 高承载接头的有限元分析

2.1 接头的初始设计及工况

2.2 接头的受力分析

2.2.1 HyperMesh软件简介

2.2.2 有限元模型

2.2.3 静力分析

2.3 本章小结

第三章 优化方法与算例研究

3.1 优化方法

3.2 二次开发与软件模块

3.2.1 Tcl/Tk语言

3.2.2 HyperMesh二次开发

3.2.3 HyperMorph模块

3.2.4 OptiStruct模块

3.3 算例研究：短梁的优化分析

3.3.1 短梁的优化参数

3.3.2 短梁的优化流程

3.3.3 短梁的优化结果

3.4 本章小结

第四章接头的优化分析

4.1 高承载接头的优化

4.1.1 参数化模型的建立

4.1.2 形状优化

4.1.3 尺寸优化

4.2 优化结果分析

4.2.1 优化结果概述

4.2.2 形状优化结果

4.2.3 尺寸优化结果

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 后续研究工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文