基于PRSEUS结构的翼身融合民机中央机体球亏面框优化设计方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29331

固体力学与飞行器总体设计

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基于PRSEUS结构的翼身融合民机中央机体球亏面框优化设计方法

张永杰¹, 周静飘¹(), 石磊¹, 李栋², 张彬乾²

^1.西北工业大学民航学院，西安 710072
^2.西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2023-07-17 修回日期:2023-08-02 接受日期:2023-08-22 出版日期:2024-06-25 发布日期:2023-09-01
通讯作者: 周静飘 E-mail:a045519zjp@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(11972301)

Optimization design method of central fuselage spherical deficient surface frames in blended⁃wing⁃body civil aircraft based on PRSEUS structure

Yongjie ZHANG¹, Jingpiao ZHOU¹(), Lei SHI¹, Dong LI², Binqian ZHANG²

^1.School of Civil Aviation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2023-07-17 Revised:2023-08-02 Accepted:2023-08-22 Online:2024-06-25 Published:2023-09-01
Contact: Jingpiao ZHOU E-mail:a045519zjp@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972301)

摘要/Abstract

摘要：

翼身融合（BWB）是一种非常规亚声速运输机布局形式。针对该布局下民机后压力框的设计问题，基于美国国家航空航天局（NASA）提出的拉挤杆缝合一体化（PRSEUS）结构，开展了中央机体球亏面框优化设计工作。分别建立了某型BWB民机铝合金平面框、PRSEUS球亏面框有限元模型，数值模拟结果显示，PRSEUS球亏面框具有更好的承载性能、更低的结构重量。在此基础上，进一步对PRSEUS球亏面框开展敏度分析，对其静强度、稳定性的影响参数进行了梳理，对影响规律进行了归纳。通过分析关键参数在协同优化过程中的影响，筛选得到了一种基于代理模型的协同优化策略，该协同优化策略适用性强、优化效率高。利用该协同优化方法，对PRSEUS球亏面框的尺寸参数进行了优化。通过对优化结果的最优性分析，获得了兼顾静强度、稳定性的优化方案，优化后的PRSEUS球亏面框重量减轻了10.6%。设计的PRSEUS球亏面框承载效率高、稳定性能好，可为相关领域设计与研究人员提供参考。

关键词: 翼身融合民机, 后压力框, PRSEUS结构, 代理模型, 协同优化

Abstract:

The Blended Wing Body （BWB） layout is an unconventional subsonic transport aircraft configuration. To address the design challenges of the aft pressure frame in this layout， this paper conducts optimization design work on the central fuselage circumferential frame using NASA’s proposed Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure （PRSEUS） concept. Finite element models are separately established for a certain type of BWB aircraft's aluminum flat frame and the PRSEUS pherical deficient surfaces frame. Numerical simulations and comparisons reveal that the PRSEUS pherical deficient surfaces frame exhibits superior load-bearing performance and lower structural weight. Building upon this， the paper performs further sensitivity analysis on the PRSEUS pherical deficient surfaces frame， identifying influential parameters related to its static strength and stability， and summarizing the impact patterns. By analyzing the effects of key parameters in the collaborative optimization process， a synergy optimization strategy based on surrogate models is developed， known for its strong applicability and high efficiency. Employing this collaborative optimization approach， the paper optimizes the dimensions of the PRSEUS pherical deficient surfaces frame. Through a thorough optimality analysis of the results， an optimized solution that balances static strength and stability is achieved， reducing the weight of the PRSEUS pherical deficient surfaces frame by 10.6%. The designed PRSEUS pherical deficient surfaces frame excels in load-carrying efficiency and stability， whichoffers valuable insights to designers and researchers in related fields.

Key words: BWB civil aircraft, aft pressure frame, PRSEUS structure, surrogate model, collaborative optimization

中图分类号:

V223

张永杰, 周静飘, 石磊, 李栋, 张彬乾. 基于PRSEUS结构的翼身融合民机中央机体球亏面框优化设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(12): 229331.

Yongjie ZHANG, Jingpiao ZHOU, Lei SHI, Dong LI, Binqian ZHANG. Optimization design method of central fuselage spherical deficient surface frames in blended⁃wing⁃body civil aircraft based on PRSEUS structure[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(12): 229331.

图/表 47

图1

图2

表1

表2

图3

表3

7075铝合金参数

参数	取值
弹性模量 $E$ /MPa	71 000
泊松比 $μ$	0.33
密度 $ρ$ /（kg·m^-3）	2 700
抗拉强度 $σ s$ /MPa	524
屈服强度 $σ b$ /MPa	455

表3

图4

图5

图6

表4

复合材料属性［16］

参数	取值
纵向弹性模量 $E 1$ /MPa	67 154.93
横向弹性模量 $E 2$ /MPa	33 542.99
厚度方向弹性模量 $E 3$ /MPa	34 956.42
$纵向横向剪切模量 G 12$ /MPa	16 340.57
纵向厚度方向剪切模量 $G 13$ /MPa	16 340.57
横向厚度方向剪切模量 $G 23$ /MPa	5 515.81
纵向横向泊松比 $μ 12$	0.4
纵向厚度方向泊松比 $μ 13$	0.4
横向厚度方向泊松比 $μ 23$	0.095
密度 $ρ$ /（kg·m^-3）	1 600

表4

表5

拉挤杆和隔框泡沫芯材料属性［16］

参数	取值
拉挤杆弹性模量 $E a$ /MPa	126 932.48
泡沫芯弹性模量 $E b$ /MPa	144.79
拉挤杆泊松比 $μ a$	0.30
泡沫芯泊松比 $μ b$	0.45
拉挤杆密度 $ρ a$ /（kg·m^-3）	1 600.0
泡沫芯密度 $ρ b$ /（kg·m^-3）	99.9

表5

图7

图8

图9

表6

表7

复合材料强度值［16］

参数	取值
$X t$ /MPa	724.64
$X c$ /MPa	546.06
$Y t$ /MPa	320.61
$Y c$ /MPa	261.31
$S 12$ /MPa	206.15

表7

图10

图11

图12

图13

表8

图14

表9

图15

图16

图17

图18

图19

图20

图21

图22

表10

球亏面框静强度代理模型精度

模型	$R M S E$	$R 2$	$M A E$
Kriging	0.155 73	0.687 84	0.325 46
RBF	0.018 53	0.995 98	0.039 98
PRS	0.106 48	0.873 28	0.268 86

表10

图23

表11

球亏面框稳定性代理模型精度

模型	$R M S E$	$R 2$	$M A E$
Kriging	0.041 76	0.980 09	0.102 62
RBF	0.046 70	0.974 16	0.102 88
PRS	0.136 46	0.714 97	0.463 67

表11

图24

图25

图26

表12

设计变量的物理意义

物理意义	稳定性学科级变量	静强度学科级变量	系统级变量
球皮	$x 1$	$y 1$	$z 1$
长桁腹板	$x 2$	$y 2$	$z 2$
拉挤杆	$x 3$	$y 3$	$z 3$
止裂带	$x 4$	$y 4$	$z 4$
端盖	$x 5$
包裹层	$x 6$
环框		$y 5$

表12

图27

表13

图28

图29

表14

表15

图30

表16

表17

参考文献 26

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	取值
乘客数量/座	300
燃油质量/kg	76 000
最大起飞质量/kg	210 000
航程/km	13 000
巡航马赫数	0.84
翼展/m	63.12
纵横比	0.65

部段	质量/kg	占比/%
前机身	3 000	1.4
中机身	30 000	14.3
后机身	3 000	1.4
机翼	8 000	3.8
连接件	6 000	2.9
全机	50 000	23.8
最大起飞重量	210 000	100.0

部件	层数	单层厚度/mm	总厚度/mm
球皮	10	1.320 8	13.208
长桁腹板	9	1.320 8	11.887
止裂带	9	1.320 8	11.887
端盖	6	1.320 8	7.924 8
包裹层	1	1.320 8	1.320 8
环框	16	1.320 8	21.133

序号	质量/t	蔡-吴失效因子	一阶屈曲特征值
1	1.183	0.911 4	1.775
2	1.177	0.925 7	1.693
3	1.192	0.894 7	1.646
4	1.180	0.988 5	1.702
5	1.195	0.940 8	1.882
6	1.190	0.936 7	1.762
7	1.187	0.971 1	1.768
8	1.186	0.920 7	1.832
9	1.193	0.892 9	1.703

部件	层数	总厚度/mm	单层厚度/mm
球皮	10	13.828	1.382 8
长桁腹板	9	5.944	0.660 4
止裂带	9	5.944	0.660 4
端盖	6	6.050	1.008 3
包裹层	1	0.721	0.721 0
环框	16	23.187	1.449 2

基于PRSEUS结构的翼身融合民机中央机体球亏面框优化设计方法

Optimization design method of central fuselage spherical deficient surface frames in blended⁃wing⁃body civil aircraft based on PRSEUS structure

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球亏面框部件	层合板数目
球皮	10
长桁腹板	9
长桁止裂带	9
隔框包裹层	1
隔框止裂带	9
环框	16
端盖	6

变量	球皮/mm	长桁腹板/mm	止裂带/mm	端盖/mm	包裹层/mm	环框/mm	拉挤杆/mm
改变量/%	4.69	-50	-50	-23.66	-45.41	9.72	-23.55
优化前	1.320 8	1.320 8	1.320 8	1.320 8	1.320 8	1.320 8	10.000 0
优化后	1.382 8	0.660 4	0.660 4	1.008 3	0.721 0	1.449 2	7.645 0

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