考慮制造成本的復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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1、考慮制造成本的復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計1,22尹海蓮，余雄慶（1.南京航空航天大學(xué)無人機(jī)研究院，南京210016）(2.南京航空航天大學(xué)飛行器先進(jìn)設(shè)計技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，南京210016）摘要：復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能要求，還要考慮制造成本因素。本文研究一種面向機(jī)翼方案設(shè)計階段的機(jī)翼結(jié)構(gòu)/制造成本多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化問題。其中難點是如何建立一個制造成本估算模型，能對機(jī)翼的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的制造成本進(jìn)行快速成本評估。采用基于工藝過程的成本計算模型對復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)制造成本進(jìn)行估算。應(yīng)用CATIA軟件二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)一個多學(xué)科模型生成器，即基于一個共用的

2、參數(shù)化機(jī)翼CAD模型，能自動生成結(jié)構(gòu)模型和成本模型。以某型無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)/制造成本一體化設(shè)計為算例，以二級優(yōu)化方法為框架，集成機(jī)翼CAD模型、結(jié)構(gòu)分析模型和成本分析模型，實現(xiàn)了復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)/制造成本多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程。優(yōu)化計算結(jié)果表明本文提出的方法可行有效。關(guān)鍵詞：多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，復(fù)合材料機(jī)翼，結(jié)構(gòu)設(shè)計，制造成本，CAD引言在飛機(jī)方案設(shè)計階段首先要確定結(jié)構(gòu)布局、材料和裝配連接方法等，這些方案確定的同時也決定了最終產(chǎn)品的重量和成本。很多學(xué)者研究認(rèn)為在飛機(jī)方案設(shè)計階段所花費的成本只占整個產(chǎn)品成[1-2]本的10%，卻決定了整個產(chǎn)品成本的75%。復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高

3、比剛度、成型工藝性好和良好的可設(shè)計性等優(yōu)點而受到國內(nèi)外飛機(jī)工業(yè)界的廣泛重視，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用也由最初的次承力構(gòu)件發(fā)展到現(xiàn)在的主承力構(gòu)件，而一些無人機(jī)上的復(fù)合材料用量甚至達(dá)到了90%以上，稱為[3]全復(fù)合材料飛機(jī)。然而由于高強(qiáng)度的人工制造過程以及昂貴的原材料成本等因素限制了復(fù)合材料在飛機(jī)設(shè)計中的推廣使用。因此在飛機(jī)方案設(shè)計階段需要對結(jié)構(gòu)重量和制造成本進(jìn)行權(quán)衡，確定出最合理的方案。也就是說復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)考慮其制造成本因素。本文研究復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量和制造成本多目標(biāo)優(yōu)化問題。首先介紹復(fù)合材料機(jī)翼成本估算模型，采用基于工藝過程的成本計算模型對復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)制造成

4、本進(jìn)行估算。以某型無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，給出復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)/制造成本多目標(biāo)優(yōu)化的策略和表述方式。在此基礎(chǔ)上提出一種機(jī)翼結(jié)構(gòu)/制造成本MDO（MultidisciplinaryDesignOptimization,多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化）流程。在該流程中，應(yīng)用CATIA二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)了一個多學(xué)科模型生成器，自動生成復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)模型和成本分析模型。整個多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程可完全自動完成。1機(jī)翼成本估算模型機(jī)翼成本估算模型的研究通?？梢苑殖蓛纱箢悾簠?shù)成本模型（ParametricCostModels：PCM）[4]和制造工藝成本模型(ManufacturingProce

5、ssCostModels:MPCM)。MPCM把制造過程逐級分解為多個獨立的制造子過程進(jìn)行成本估算，尤其適合于把制造成本與設(shè)計特征、材料類型和制造工藝聯(lián)[5-6]系起來，研究表明在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計成本估算中，MPCM比PCM更為精確，因此本文采用制造工藝成本模型估算復(fù)合材料機(jī)翼成本。復(fù)合材料機(jī)翼成本估算模型的核心是建立制造工藝時間估算標(biāo)準(zhǔn)。通常，復(fù)合材料機(jī)翼制造體[7-8]系符合一階反應(yīng)動力學(xué)行為，可用動力學(xué)定律描述工藝時間。一階反應(yīng)動力學(xué)方程的表達(dá)式為1?t/τvv=?(1e0)（1）0[9]將方程（1）積分，并作近似處理得到雙曲線模型如下式：2tL??=??+?11（2）ττ

6、v00??0其中，L表示結(jié)構(gòu)件尺寸或機(jī)翼裝配周長（通常為長度、面積或體積等）；v表示穩(wěn)態(tài)速率；τ00是時間常數(shù)，表示達(dá)到穩(wěn)態(tài)速度的滯后時間。參數(shù)v和τ的取值參考文獻(xiàn)[10]中數(shù)據(jù)。00復(fù)合材料機(jī)翼零件的工藝成本根據(jù)加工時間、裝配時間和勞動力價格計算，由下式確定：CttP=()+?（3）fpal其中，Cf表示零件工藝成本；tp表示零部件加工時間；ta表示機(jī)翼裝配時間；Pl表示勞動力價格。[10]材料成本由所用的材料數(shù)量來確定，計算公式為CLsP=?+?(1)（4）mm其中Cm表示材料成本；L表示成本估算變量，比如面積、長度、體積等；s表示廢料率；Pm表示單位面積、長度或者體積的

7、材料價格。本文中不考慮機(jī)翼制造過程中的機(jī)器設(shè)備、工具損耗和模具制造等產(chǎn)生的成本，復(fù)合材料機(jī)翼總的制造成本為工藝成本和材料成本之和。2機(jī)翼結(jié)構(gòu)/成本MDO問題表述按照多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中二級優(yōu)化方法，把機(jī)翼結(jié)構(gòu)/制造成本MDO問題分解為一個系統(tǒng)級多目標(biāo)優(yōu)化問題和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、成本分析兩個子系統(tǒng)級問題，優(yōu)化策略如圖1所示。系統(tǒng)級優(yōu)化目標(biāo)：結(jié)構(gòu)重量最輕、成本最低約束：結(jié)構(gòu)布局變量范圍設(shè)計變量：結(jié)構(gòu)布局變量XSXSWSXSCS結(jié)構(gòu)優(yōu)化成本分析目標(biāo)：結(jié)構(gòu)重量WS最輕LM根據(jù)布局參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)約束：強(qiáng)度、剛度等化獲得的結(jié)構(gòu)尺