1符合尾隨邊緣形態(tài)變化的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要:自適應(yīng)機(jī)翼一直使用柔和的技術(shù)指導(dǎo)變形的后緣,以改善他們的氣動(dòng)性能,本文介紹了一種在分布?jí)毫ο?,符合形?變化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化方法。 為了使需要的形狀與目標(biāo)形狀偏差盡量最小,這種方法使用 MATLAB 和 ANSYS的方式來(lái)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)分布機(jī)制。這種方式通過(guò)局部?jī)?yōu)化和遺傳算法來(lái)獲得。在優(yōu)化過(guò)程中,許多因素應(yīng)該考慮在內(nèi),例如:空氣 載荷、輸出位移量和幾何非線性。直接搜索法適用于局部?jī)?yōu)化和 GA 優(yōu)化后的輸入位移量。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可以做出他們?cè)?0 到 90。.之間變化,模型試驗(yàn)已經(jīng)確認(rèn)了這種方法的可行性。關(guān)鍵詞:自適應(yīng)機(jī)翼,伺服順從機(jī)構(gòu), 遺傳算法,拓?fù)渥顑?yōu)化,分布?jí)毫d荷,幾何非線性1.說(shuō)明由于傳統(tǒng)的機(jī)翼輪廓通常是按照特定的上升系數(shù)和馬赫數(shù)設(shè)計(jì)的。他們不能隨著環(huán)境的變化而變化。Siclar 和 Austin 指出可變 的后緣曲面將會(huì)產(chǎn)生比傳統(tǒng)的固定傾角機(jī)翼少 60%左右的阻力。有三種去設(shè)計(jì)可變的曲面機(jī)翼的方法。他們中的一種是傳統(tǒng)的鉸鏈機(jī)構(gòu),然而,他會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼表面的不 連續(xù)性和早期氣流分流與阻力的增加。其它的則是智能材料和順從機(jī)構(gòu),他們能 實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的形狀變化。盡管如此,與順從機(jī)構(gòu)相比較,由智能材料制成的傳動(dòng)裝置有許多不足之處。例如:能量不足;反應(yīng)緩慢;強(qiáng)烈的滯后性;受溫度的限制;控制太多裝置的難度大。由來(lái)自柏林工業(yè)大學(xué)的用鎳鈦記憶合金作出的自適應(yīng)可變拱形的機(jī)翼可以快速改變他的形狀,但他不能執(zhí)行高頻繁的變化,因?yàn)樗膹?性依賴于與外部環(huán)境進(jìn)行的熱量交換。順從機(jī)構(gòu)是一種單件靈活的機(jī)構(gòu)。他可以通過(guò)彈性變形傳送運(yùn)動(dòng)和能量。他不僅具有足夠的變形性,而且具有足 夠的剛度來(lái)抵御外部的載荷。由于他的連接自由性,他沒(méi)有傳統(tǒng)所面臨 的棘手問(wèn)題,例如:摩擦、 潤(rùn)滑、噪聲、反沖。因此可以獲得平穩(wěn)的形狀變化。1994 年,一位來(lái)自密歇根大學(xué)的名叫 kota 教授首先提出順從機(jī)構(gòu)能夠使用在一項(xiàng)由美國(guó)空軍科學(xué)研究院辦公室提供贊助的控制靜態(tài)形狀的科學(xué)研究之中。Saggere 和 Kota 提出了一種設(shè)計(jì)順從機(jī)構(gòu)的新方法,他們能夠使優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)曲線中的形狀變化和目標(biāo)曲線的形狀誤差最小,基于他們的研究成果,Lu 提出了2一種載荷路徑代表方法。然而,他的研究?jī)H限于節(jié)點(diǎn)情況下的線性分析。來(lái)自于福尼亞州立學(xué)院的 Good 使用順從機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)漸近法來(lái) 設(shè)計(jì)機(jī)翼的尾部,保 證誤差在尖端最大偏差范圍之內(nèi)。基于 F16 的數(shù)據(jù),Kota 和 Hetrick 在 2004 年時(shí)間設(shè)計(jì)順從軌跡邊緣,他能在 0。到 15。之間變化并且獲 得了專利證書(shū)。來(lái)自德國(guó)航空航天中心的 Companaile 提出了模 擬靜態(tài)程序設(shè)計(jì)機(jī)翼形狀控制合成靈活機(jī)構(gòu),并指出今后的研究應(yīng)將空氣載荷和幾何非線性考慮在內(nèi)。來(lái)自工業(yè)能源部實(shí)驗(yàn)室的 Buhl 使用 SIMP 法和幾何非 線性有限元法來(lái)設(shè)計(jì)順從軌跡邊緣。 Flxsys Inc在 2006 年生產(chǎn)的自適應(yīng)兼容機(jī)翼。經(jīng)過(guò)了在懷特騎士飛機(jī)上的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,風(fēng)和標(biāo)準(zhǔn)的能在(-10 。—10。)變化。在中國(guó),適應(yīng)性機(jī)翼研究一直集中在智能材料和常規(guī)機(jī)構(gòu)上,幾乎沒(méi)有人在從事帶有順從機(jī)構(gòu)的機(jī)翼研究上。楊是個(gè)例外,他分析了基于伺服彈性技術(shù)的活躍航空彈性機(jī)翼,陳和黃分別調(diào)查了兼容的離散和連續(xù)性的前沿變化。本文介紹了一種基于局部?jī)?yōu)化和遺傳算法形狀可變機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)使用 MATLAB 和 ANSYS設(shè)計(jì),同 時(shí)將外部載荷和幾何非線性考慮在內(nèi)。2.優(yōu)化步驟2.1 確定后緣模型和目標(biāo)函數(shù)如圖一所示,兩條曲線代表不同飛行狀態(tài)的軌跡邊緣。其中一邊(A 點(diǎn))的結(jié)構(gòu)形狀是固定的,另一邊( B 點(diǎn))將水平滑 動(dòng)。圖一 圖二 首先設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)該由最初曲線形狀所定義,包括輸出位置和邊界狀態(tài),然后如圖二所示的被光線分成的微量網(wǎng)格模仿鳥(niǎo)的羽毛部分,這就是被稱為局部表面結(jié)構(gòu)方法。3最簡(jiǎn)單也是最有效的方法制造出平面兼容機(jī)是使用線切割技術(shù)。在優(yōu)化過(guò)程中,所有的元素使用同樣 的寬度等于其厚度的梁。其中每個(gè)梁的高度是一個(gè)設(shè)計(jì)變量。為了使結(jié)構(gòu)的變形接近于目標(biāo)曲線形狀,在變形曲線和目標(biāo)曲線間的最小平方差是被定義的客觀職能。 LSE 的定義是沿曲線上各個(gè)點(diǎn)位置數(shù)字的平方和,他的表達(dá)式是 其中 i(i=1,2,…,p)是沿曲線上點(diǎn)的數(shù)量,p 是點(diǎn)的總數(shù)。 和是目標(biāo)和邊界曲線變形坐標(biāo)的第 i 個(gè)節(jié) 點(diǎn)。約束條件是:其中 j(j=1,2,…,m)是元素的數(shù)量的總和,h i 是尺寸變量,h min 和 hmax 是所有元素的下界與上界,h b 是邊界元素的極點(diǎn),d max 是黨邊界曲線上輸入無(wú)效節(jié)點(diǎn)時(shí)的最大彎曲,必須小于 [d] 以保證結(jié)構(gòu)的剛度,[d]是當(dāng)輸入處于無(wú)效時(shí)所允許的最大彎曲變形,拓?fù)淞?Tj 等于 1,否則當(dāng)元素被淘汰時(shí)為 0。2.2 GA 優(yōu)化遺傳算法是一種在自然界上模擬選擇的優(yōu)化方法。合適的生物能最大可能性存活下來(lái),但是劣質(zhì)品種也有機(jī)會(huì)存在。不同于 連續(xù) 的優(yōu)化方法,他不要求梯度的目標(biāo)函數(shù)信息。每一個(gè)元素可以表示為一個(gè)拓?fù)淞亢鸵粋€(gè)尺寸變量。因此,每個(gè)個(gè)體科編碼如下: 其中 n 是除邊界元素之外元素的數(shù)量。有著同樣的高度,在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中的邊4界元素只有一個(gè)變量代表 hb。適應(yīng)性是遺傳算法優(yōu)化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。他可以從目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為: 其中 β 是一個(gè)只包括雙方較差的個(gè)體參數(shù)。他的數(shù)值越小越有價(jià)值,兩個(gè)個(gè)體的適應(yīng)性會(huì)有更多的不同,因此增加了雙方選擇的高度適應(yīng)性。選擇控制參數(shù)在遺傳算法的收斂中扮演一個(gè)重要的角色??偟膩?lái)講,交叉概率的范圍為 0.40-0.99;突變的概率為 0.00001-0.01,個(gè)體的數(shù)量為 10-200。該變量將會(huì)通過(guò)交叉和變異發(fā)生更新,因此,這個(gè)設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生遺傳過(guò)程。2.3 適應(yīng)性元素的分析由于設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)是有限元的,有限元分析法優(yōu)化模型是不能被用于設(shè)計(jì)符合變形的機(jī)構(gòu)中,因此,本文在 MATLAB 中的遺傳算法和在 ANSYS中的有限元分析法。在有限元分析法中,僅只考慮幾何非線性和材料的彈性,ANSYS 能解決節(jié)點(diǎn)位移和元素 壓力,通 過(guò)刪去低應(yīng)力的元素,良好的結(jié)果能被推算出來(lái)。圖三顯示了詳細(xì) 的過(guò)程。5圖三 整個(gè)的優(yōu)化過(guò)程2.4 二次優(yōu)化盡管遺傳算法可以優(yōu)化大型解空間和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尺寸。尺寸通常不能直接集中于優(yōu)化中,為了解決這個(gè) 問(wèn)題, 遺傳算法優(yōu)化后,直接搜索法應(yīng)該被用來(lái)在遺傳算法結(jié)果中去尋找。3.優(yōu)化的結(jié)果通過(guò)參考文獻(xiàn)[5]可以得出,最初的小徑邊緣尺寸減少 36%,表一列出了設(shè)計(jì)參數(shù)的大小。表一 設(shè)計(jì)參數(shù)的大小 由于位移作為輸入的使用,非線性分析難以解決和廚師壓力非常大,但他必須在三十代以后考慮。6圖四 遺傳優(yōu)化的結(jié)果 圖五 二次優(yōu)化的結(jié)果圖四和圖五說(shuō)明了遺傳算法優(yōu)化結(jié)果和二次優(yōu)化結(jié)果。表二 兩次優(yōu)化的比較從表格中可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)輸入位移和尺寸優(yōu)化,LSE 減少了 1.3528mm 和改善了 3.13%,變更角度增加 1.0493。。7圖六 外部載荷的分布圖六表示的是外部分布?jí)毫?到10N/mm,改變輸入位移量在最初結(jié)構(gòu)上保持11.3897mm上的參數(shù)影響結(jié)果。如果載荷保持在0-5N/mm范圍內(nèi),優(yōu)化結(jié)構(gòu)看起來(lái)有良好的穩(wěn)定性。當(dāng)外部載荷超過(guò)5N/mm時(shí),最大壓力可能超過(guò)屈服壓力,因?yàn)檫@個(gè)優(yōu)化方法是基于MATLAB和ANSYS的, 為 了證明結(jié)果, 嘗試去通過(guò)將分析結(jié)果分別輸入到ANSYS 和PATRAN 中,然后是他們之間的比較。如圖七和圖八所示,二者的變更有很大的共同點(diǎn);在ANSYS中是54097mm,在PATRAN中是54.50mm,他們的不同之處 來(lái)自個(gè)體上。圖七 在ANSYS上的結(jié)果 圖八 在PATRAN 上的結(jié)果另一方面,一個(gè)使用線切割技術(shù)的模型來(lái)證實(shí)分析法的結(jié)果。模型的材料同設(shè)計(jì)的一樣,都為5mm后。在試驗(yàn)中,假設(shè)分布?jí)毫?載荷為零,輸入146N 的情況下,輸入位移量為11.3897mm ,圖九表示的是模型和 測(cè)量的結(jié)果。 變更的溫度為9.3。。尖端 為一位53mm,變更的形狀符合設(shè)計(jì)的結(jié)果。如果11.3897mm的位移量強(qiáng)加在模型上,理論的尖端位移量為54.796mm。因?yàn)槟P秃驮囼?yàn)臺(tái)之間存在摩擦力,測(cè) 量材料和適合的結(jié) 果之間會(huì)有少許的差異。8圖九 模型和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果4.結(jié)論通過(guò)方針和實(shí)驗(yàn)證明,該方法符合設(shè)計(jì)變形機(jī)制,探索出具有所需的變性效應(yīng)和承受外部載荷的結(jié)果和能力的機(jī)構(gòu)。在優(yōu)化過(guò)程中,MATLAB 和 ANSYS的聯(lián)合呈現(xiàn)程序的簡(jiǎn)單和普遍性。堅(jiān)硬的字模沒(méi)有必要頻繁的改變,同時(shí)避免有限元法編程的復(fù)雜性和使分布載荷變成節(jié)點(diǎn)載荷,拓?fù)涑叽缈梢酝瑫r(shí)由 GA 進(jìn)行優(yōu)化,出去再 FEA 之后的自由元素能加快優(yōu)化,二次優(yōu)化可以提高 GA 優(yōu)化的結(jié)果。