基于多级式柔性机构的自适应机翼后缘拓.doc
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1、精品论文基于多级式柔性机构的自适应机翼后缘拓扑优化寇鑫,张永红,葛文杰5(西北工业大学机电学院,西安 710072)摘要:在飞行中机翼翼型的改变能够显著地改善气动性能,提升飞行器的效率。本文将多级驱动式柔性机构作为翼型的变形机构,通过遗传算法确定驱动载荷作用位置,结合连续体变 密度法拓扑优化,以某型机翼输出点实际位移与目标位移之间的偏差为目标函数,建立了满 足连续变形的机翼后缘综合优化模型,采用移动渐近法求解模型, 并对结果进行 ANSYS 仿10真。研究结果显示,该柔性机翼后缘能够实现要求的连续变形,表明本文提出的方法合理、有效。 关键词:多级式柔性机构;自适应机翼;遗传算法;拓扑优化 中图
2、分类号:TH 16315Topology Optimization of Compliant Adaptive TrailingEdge Based on Multi-level Compliant MechanismKOU Xin, ZHANG Yonghong, GE Wenjie(School of Mechanical Engineering,Northwestern Polytechnical University, Xian 710072)Abstract: Airfoil changes can significantly improve the aerodynamic perf
3、ormance and enhance the20efficiency of aircraft. This paper introduces a systematic method to design multi-level compliant mechanisms to carry out airfoil required shape changes. The load points are optimized automaticallyusing genetic algorithm. Aiming at certain model unmanned aerial vehicle(UAV),
4、 the least square error between the deformed curve and the target curve is defined as the objective function. Based on variabledensity method, established the topology optimization model of adaptive wing trailing edge, and25solved by using the method of moving asymptotes. The result is simulated in
5、ANSYS,it is shown thatthe adaptive wing trailing edge could reaches design morphing requirements. The result shows that the method proposed in this paper is reasonable and effectiveKey words: multi-level compliant mechanism; adaptive wing; genetic algorithm; topology optimization300引言在不同的飞行条件下,满足最佳气
6、动性能的机翼形状一般是不同的,而目前机翼的外形 设计都是采用折中处理的。自适应机翼概念就是为了解决这一问题而提出的,它是指机翼能 够随着飞行状态的调整而改变自身形状,以最大限度的满足飞行要求。35从 20 世纪 80 年代起,美国空军预研的多种机型机翼采用了自适应结构,但这些刚性结 构重量很大,控制复杂,反而降低了效率。1994 年 Kota1教授首次提出了用柔性机构实现 自适应机翼的设计思想。2006 年美国柔性系统有限公司在“救世主”无人机上测试了其研基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20096102110017) 作者简介:寇鑫(1985),男,博士研究生,研究方向为柔性机构的拓
7、扑优化 通信联系人:葛文杰(1956),男,教授,主要研究方向:机器人机构学及仿生机器人技术;柔性机构的设计 理论及方法. E-mail: - 7 -制的自适应柔性变形机翼,证明采用柔性变形后缘能显著提高升阻比同时增大航程2。2007年 Westfall 等人设计的 MXF-1 能够实现 1535的角度变形3。2012 年,Elgersma 对弹40性蒙皮自适应机翼的拓扑优化进行了研究4。国内柔性机翼的研究处于起步阶段,柔性自适 应机翼的拓扑优化只有西北工业大学的葛文杰教授团队5-8。本文首先提出了基于遗传算法的多级驱动载荷位置优化;其次建立了多级式柔性机构优 化模型;再次结合自适应机翼设计,
8、选择机翼后缘为设计对象,确定相关拓扑优化初始条件 并进行优化;最后对优化的结果进行验证分析。451基于遗传算法的多级驱动载荷作用位置优化现有柔性机构的设计中,主动驱动载荷视作已知条件,其力的大小与作用位置都是固定 的,并且基本采用单一驱动模式。这往往出现驱动力作用方向与结构输出端之间载荷传递路 径过长或者相反的问题,导致优化收敛困难、结构局部应力过大。为此,本文提出多级驱动 载荷作用位置优化方法。501.1 设计变量编码首先将优化区域有限元离散化,选定驱动载荷可能存在区域节点作为设计变量,于是优 化问题转变为在这些设计域内选择哪些节点作为载荷作用点的问题。为了采用遗传算法进行 优化,可以将节点
9、看作是节点号与表示该节点号选中与否的状态指示符的组合。为此,通过 整数与实数分别代表节点号和节点状态指示符进行个体编码。55U = N1 , N2 ,L , Nn , s1 , s2 ,L , sn (1)其中 Ni , i = 1, 2,L , n代表第i 个节点号,si 代表第i 个节点存在状态,si 只能有 0/1 两种值,若 si 为 0 说明该节点没有被选作驱动载荷作用点,若 si 为 1 则该节点被选作驱动载荷 作用点。60图 1 编码示意图123456789Fig.1 Schematic diagram of code如图 1,假设区域编号的 9 个节点都可以作为驱动载荷作用点,
10、节点编号如图 1 所示。65则随机的一组编码,比如:U = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, 0,1, 0,1, 0,1, 0, 0(2)式(2)中前 9 个数表示 9 个节点号,而后 9 个数是状态指示符,该组编码表示 3、5、707 号节点被选作驱动载荷作用。1.2 设计目标函数选择柔性机构拓扑优化之后的结构最大应力值最小作为目标函数。其数学模型为:75subject to:min f ( x) = max( ( x)nFmin nF nFmax(3)(4) ( x) s 0n(5)式(4)中:nF 由编码中 si 计算,即节点中被选作载荷作用点的总数,nFmin
11、 ,nFmaxi =180分别为选中载荷作用点总数的上下限;式(5)中 ( x) 为与载荷作用点相关的应力函数,其值由拓扑优化结果有限元计算获得,而 s 为屈服应力值。1.3 适应度函数由于在遗传算法中,适应度函数值越大,个体越优秀生存几率越大。因此当求目标函数 最小值时,根据问题的性质将目标函数转化为合适的适应度函数:85Fit( f ( x) = 1 exp( * f ( x)(6)9095100式(6)中,目标函数值 f ( x) 越小,适应度大。系数 决定了选择的强制性。 越小,适应度较大的个体的适应度就越与其他个体的适应度相差较大,即增加了选择该个体的强制性。2拓扑优化设计模型的建立
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- 基于 多级 柔性 机构 自适应 机翼 后缘
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