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對于一架典型的航空器，增加0.45kg的額外空機結(jié)構(gòu)重量，大約需要增加4.5kg的飛行總重才能使其性能保持不變，可見一點非常小的多余重量就會導(dǎo)致航空器性能優(yōu)劣出現(xiàn)很大差異。因此想設(shè)計出一架高效能的航空器，即能夠承載高百分比的有效載荷，減輕結(jié)構(gòu)重量顯得尤為重要。加筋板結(jié)構(gòu)，特別是復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)，由于重量輕，承載能力強，因而已被廣泛地應(yīng)用于航空航天等工程領(lǐng)域，對加筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對減輕飛機重量具有重要的研究價值。彭春雷等通過ANSYS軟件對機翼典型加筋整體壁板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計及分析，并與原鉚接壁板進(jìn)行了數(shù)值比較分析；鐘煥杰等研究了基于拓?fù)鋬?yōu)化指導(dǎo)薄板加筋來實現(xiàn)減重效果的方法；程家林等提出了并行子空間的優(yōu)化方法并對復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了布局優(yōu)化設(shè)計。茅佳兵等對機翼的復(fù)合材料加筋壁板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。馮宇等對航空復(fù)合材料加筋板進(jìn)行了壓縮及破壞載荷，并與有限元結(jié)果進(jìn)行了對比；鄭俊鋒等對均布平壓載荷下，四邊簡支矩形加筋板，提出了一種基于傳力路徑拓?fù)鋬?yōu)化的工程方法；孔斌等采用ABAQUS軟件對復(fù)合材料整體加筋板軸壓后屈曲失效評估方法進(jìn)行了研究，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。本文針對直升機設(shè)計中給定的材料，載荷及邊界條件情況下，對矩形加筋板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使設(shè)計的結(jié)構(gòu)在滿足重量、工藝可實施性的前提下單位重量下的承載能力最大，分析思路和方法可以為矩形加筋板的設(shè)計提供參考。

一、矩形加筋板的優(yōu)化設(shè)計

矩形加筋板結(jié)構(gòu)通常均由薄板和相應(yīng)的加強筋組成。對薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加筋優(yōu)化處理，能夠使結(jié)構(gòu)在不增加重量的前提下而改善結(jié)構(gòu)的承載能力，因而對加筋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成為提高薄板結(jié)構(gòu)承載能力的主要方法之一。薄板加筋結(jié)構(gòu)可以通過改變筋條的截面形式、間距以及薄板的尺寸來滿足工程實際對加筋板結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的要求。某型直升機結(jié)構(gòu)設(shè)計中可選用的材料為鈑金2A12－CZ或者復(fù)合材料3234/U3160/43，其力學(xué)性能如表1、2所示。為滿足工藝性要求，鈑金件需從厚度為0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm的規(guī)格中選取。筋條采用標(biāo)準(zhǔn)型材、鉚釘采用常用牌號。采用單面筋條，筋條數(shù)目不限，筋條端頭與腹板上、下邊緣邊距為2.0mm。為了使結(jié)構(gòu)不破壞，結(jié)構(gòu)承載能力不應(yīng)小于15000N，并且結(jié)構(gòu)一階模態(tài)避開1.5Hz，重量不超過0.6kg，設(shè)計矩形加筋板結(jié)構(gòu)使單位重量下的承載能力最大。

二、有限元承載能力分析

根據(jù)前述優(yōu)化進(jìn)行概念選型設(shè)計壁板，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果布置筋條，利用Patran建立加筋板有限元模型如圖9所示，分別對壁板和筋條材料均采用金屬材料（鋁合金2A12－CZ）或均采用復(fù)合材料（3234/U3160/43，鋪層位0和90交替鋪設(shè)）進(jìn)行有限元分析。底邊固支，頂邊和側(cè)邊約束Z向位移，頂邊施加單位均布壓縮載荷。筋條與壁板通過鉚釘連接。假設(shè)每個鉚釘重為0.5g，共50個，總重為0.025kg。結(jié)語通過對筋條的形狀優(yōu)化，板的拓?fù)鋬?yōu)化，然后將整個加筋板的布局優(yōu)化問題歸整為拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化的綜合問題，得到了矩形加筋板的最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局，根據(jù)給定材料和載荷大小以及工藝實施性等限制條件，考核得到承載效率相對較高的設(shè)計。實際生產(chǎn)制造過程中還需要考慮制造經(jīng)濟(jì)成本等因素，但分析思路和方法可以為矩形加筋板的設(shè)計提供參考。

作者：滿林濤；楊嬋