【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空，涉及一种基于拓扑优化的机翼接头设计方法。
技术介绍
1、机翼-机身连接是战斗机最重要的连接形式之一，连接结构的强度和可靠性对飞机性能有着重要影响。目前战斗机主要的机翼-机身连接主要包括：梁式销钉/耳片机械连接、硬壳式多钉/带板连接等。对于超音速战斗机，薄翼型在机翼上的使用导致梁式机翼的结构效率降低，尤其是在中小型高速无人机上该问题更为突出。
2、现代超音速战斗机机翼设计中梁式机翼为了避免在翼根结构高度较小处设置结构分离面带来的结构整体刚度弱、强度设计困难等问题，将机翼连接设计置于机身内部使机翼根部承弯结构有效高度增加，由此带来了机翼安装、拆卸和检查的问题。相比而言厚蒙皮配合多墙的硬壳式机翼结构方案提供了高效率的机翼承载与载荷传递结构形式。硬壳式方案通常采用多钉连接方式，通过机翼根部蒙皮上的分布螺栓孔实现机翼-机身对接。它对装配精度要求较高，需要设计局部连接板实现与机翼蒙皮的机械连接。考虑结构稳定性等综合因素，这将导致连接结构增重。
3、现有技术方案：通过硬壳式机翼安装连接支架的结构设计，实现机翼蒙皮与机身主框的直接连接，可以较好的解决上述问题。然而，匹配蒙皮与机身框的载荷传递，支架的传力设计并不能采用固定的设计方案。本专利技术为了解决超音速飞行器薄翼型机翼-机身连接设计问题，采用拓扑优化设计连接支架，目的在于解决机翼-机身载荷高效传递的问题，机翼设计分离面安装拆卸的问题，机翼-机身连接强度和结构减重问题。本申请提出的机翼机身连接设计方法通过一组机翼-机身连接支架将机翼蒙皮紧固螺栓孔与机
技术实现思路
1、本专利技术的目的：本申请提出的一种可行的支架设计方法其核心在于支架对机翼-机身载荷的承载和传递，一方面支架需要汇集蒙皮分布载荷并集中传递给机身主框。由于空间限制，支架与机翼蒙皮主要采用剪切螺栓传载，机身主框与支架之间可以采用多种机械连接方式，主要是拉压螺栓传载。为了有效的提高机身接头的有效高度，支架设置在机翼根部外侧，在机翼-机身结构分离面上需要局部外形维持，高度不低于2倍的拉拔螺栓直径。
2、本专利技术技术方案：一种基于拓扑优化的机翼接头设计方法，包括以下步骤：
3、步骤s1:根据机翼-机身结构布置和翼根极限弯矩载荷工况，确定机翼-机身接头位置、各连接点的载荷分配和数量；一个机翼接头有两个连接点；
4、步骤s2:以机翼-机身连接区域几何外形为基准，建立机翼-机身接头连接点拓扑优化包络体；
5、步骤s3:对单个连接点进行螺栓孔定位，在拓扑优化包络体中确定覆盖机身紧固螺栓9和机翼紧固螺栓10的最小作用域作为连接点的拓扑优化设计域14；确定每个接头连接点拓扑优化设计域14的几何尺寸，以传力路径等强度设计确定机身紧固螺栓9和机翼紧固螺栓10的初始几何尺寸；
6、步骤s4:以接头连接刚度、局部材料强度为约束，开展接头设计域的空间多工况拓扑优化，得到拓扑优化结构的材料分布方案；
7、步骤s5:对拓扑优化结构进行几何处理、曲面造型、实体建模、孔位定位，形成细节尺寸模型；
8、步骤s6:对细节尺寸模型进行强度、刚度校核，利用3d打印增材制造完成接头的制造。
9、所述步骤s1确定机翼-机身连接点位置和载荷分配的确定方法：在翼型高度加大处或载荷传力路径最短处设置连接点，采用有限元板杆模型计算极限载荷工况下机翼在弹性约束下的接头载荷，机身对机翼的约束刚度通过建立局部机身模拟来模拟。
10、所述步骤s1各连接点的确定方法：利用工程方法弯矩应力、孔/钉挤压强度结合材料许用应力和安全系数预估连接点数量。
11、所述步骤s2机翼-机身连接接头拓扑优化设计包络体8是由翼根外型面，机身外型面和过渡型面围成的子区域。
12、所述步骤s3确定机身紧固螺栓9(拉拔螺栓)和机翼紧固螺栓10(剪切螺栓)的初始几何尺寸具体为：通过连接点载荷初步确定连接点支架拔螺栓直径和数量、剪切螺栓直径和数量，螺栓的分布根据孔间距、孔边距等规范进行约束。
13、所述步骤s5几何处理是基于stl网格建立目标边界离散曲面，形成模型的离散网格模型。
14、所述步骤s5所述曲面造型是根据离散网格模型生成高阶光滑曲面的包络体模型。
15、所述步骤s5所述孔位定位，形成细节尺寸模型是根据孔位曲面拟合确定设计孔位轴线，在此基础上进行孔的高精度相关定位，完成孔的几何修正，形成孔的细节尺寸模型。
16、本专利技术技术效果：
17、1、提出了利用拓扑优化对超音速薄翼机翼连接提供了一套解决方案。
18、2、采用拓扑优化设计机翼连接支架结构可以用来连接翼根蒙皮和机身主框来实现对机翼与机身不同传力方式的有效连接；
19、3、通过拓扑优化设计定制机翼连接结构，提供机翼-机身之间结构分离面结构形式和几何尺寸之间的兼容性；
20、4、通过拓扑优化设计连接结构提高连接点的刚度和强度，降低结构质量，提高机翼可拆装性能。
21、5、通过边界确定和曲面网格造型生成拓扑优化结构体，实现复杂模型重建；
22、6、采用增材制造实现支架复杂模型的制造。
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1.一种基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤S1确定机翼-机身连接点位置和载荷分配的确定方法：在翼型高度较大处或载荷传力路径最短处设置连接点，采用有限元板杆模型计算极限载荷工况下机翼在弹性约束下的接头载荷，机身对机翼的约束刚度通过建立局部机身模拟来模拟。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤S1连接点数量确定方法：利用工程方法弯矩应力、孔/钉挤压强度结合材料许用应力和安全系数预估连接点数量。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤S2机翼-机身接头连接点拓扑优化设计域包络体是由翼根外型面，机身外型面和过渡型面围成的子区域。
5.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤S3确定机身紧固螺栓9(拉拔螺栓)和机翼紧固螺栓10(剪切螺栓)的初始几何尺寸具体为：通过连接点载荷初步确定连接点支架拔螺栓直径和数量、剪切螺栓直径和数量，螺栓的
6.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤S5几何处理是基于stl网格建立目标边界离散曲面，形成模型的离散网格模型。
7.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤S5所述曲面造型是根据离散网格模型生成高阶光滑曲面的包络体模型。
8.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤S5所述孔位定位，形成细节尺寸模型是根据孔位曲面拟合确定设计孔位轴线，在此基础上进行孔的高精度相关定位，完成孔的几何修正，形成孔的细节尺寸模型。
...【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤s1确定机翼-机身连接点位置和载荷分配的确定方法：在翼型高度较大处或载荷传力路径最短处设置连接点，采用有限元板杆模型计算极限载荷工况下机翼在弹性约束下的接头载荷，机身对机翼的约束刚度通过建立局部机身模拟来模拟。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤s1连接点数量确定方法：利用工程方法弯矩应力、孔/钉挤压强度结合材料许用应力和安全系数预估连接点数量。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的机翼接头设计方法，其特征在于，所述步骤s2机翼-机身接头连接点拓扑优化设计域包络体是由翼根外型面，机身外型面和过渡型面围成的子区域。
5.根据权利要求1所述的基于拓扑优化...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，王向盈，王健志，孙启星，曹学伟，董立君，
申请(专利权)人：中国航空研究院，
类型：发明
国别省市：
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