Развитие метода топологической оптимизации конструкции соединения крыла и фюзеляжа магистрального самолета

Авторы

Болдырев А. В.^*, Золотов Д. В.^**

Самарский университет, Московское шоссе, д. 34, г. Самара, Россия

*e-mail: boldirev.av@ssau.ru
**e-mail: dmitriy.zolotov98@mail.ru

Аннотация

Предлагается метод топологической оптимизации конструкции соединения крыла и фюзеляжа с учетом требований прочности и весовой эффективности. Проектирование силовой схемы конструкции выполняется с использованием комбинированной модели метода конечных элементов на основе деформируемого твердого тела переменной плотности и оболочек переменной толщины. Метод топологического проектирования конструкции заключается в оптимизации распределения материала и интерпретации силовой работы конструкции в комбинированной модели. В качестве целевой функции используется специфический критерий «силовой фактор», учитывающий величину и протяженность передачи внутренних усилий в конструкции. Приводится численный пример проектирования отсека фюзеляжа в зоне соединения с крылом, демонстрирующий работоспособность предлагаемого метода топологической оптимизации и новое техническое решение, найденное на основе его применения

Ключевые слова:

силовая схема центроплана, комбинированная модель соединения крыла и фюзеляжа, тело переменной плотности, пластина переменной толщины, балка переменного сечения, весовая эффективность конструкции

Список источников

1.  Дмитриев В.Г. (ред.). Проблемы создания перспективной авиационно-космической техники. М.: Физматлит, 2005. 648 с.
2.  Погосян М.А., Лисейцев Н.К., Рябов В.А. Развитие научных основ проектирования самолетов и задачи подготовки кадров // Вестник Московского авиационного института. 2005. Т. 12. № 2. С. 5-9. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=7970
3.  Комаров В.А. Проектирование силовых схем авиационных конструкций // Актуальные проблемы авиационной науки и техники. М.: Машиностроение, 1984. С. 114-129.
4.  Bendsoe M.P., Kikuchi N. Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1988. Vol. 71. No. 2, pp. 197-224. DOI: 10.1016/0045-7825(88)90086-2
5.  Eschenauer H.A., Olhoff N. Topology optimization of continuum structures: A review // Applied Mechanics Reviews. 2001. Vol. 54. No. 4, pp. 331-389. DOI: 10.1115/1.1388075
6.  Rozvany G.I.N. A critical review of established methods of structural topology optimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2009. Vol. 37. No. 3, pp. 217-237. DOI: 10.1007/s00158-007-0217-0
7.  Zhu J.H., Zhang W.H., Xia L. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design // Archives of Computational Methods in Engineering. 2016. Vol. 23. No. 4, pp. 595-622. DOI: 10.1007/s11831-015-9151-2
8.  Lógó J., Ismail H. Milestones in the 150-year history of topology optimization: A review // Computer Assisted Methods in Engineering and Science. 2020. Vol. 27. No. 2–3, pp. 97-132. URL: https://doi.org/10.24423/cames.296.
9.  Липин E.К., Чедрик В.В. Применение критериев оптимальности для решения задачи оптимизации конструкций при ограничениях на напряжения и перемещения // Ученые записки ЦАГИ. 1989. Т. XX. № 4. С. 73−83. EDN MQIITL
10.  Никифоров А.К., Чедрик В.В. О методах и алгоритмах многодисциплинарной оптимизации силовых конструкций // Ученые записки ЦАГИ. 2007. Т. XXXVIII. № 1−2. С. 129-143. EDN JWVOAN
11.  Пеньков Е.А. Автоматизация формирования сложных конструктивно-силовых схем // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2007. № 1. С. 40-48. EDN HZIWPH
12.  Болдырев А.В. Структурная оптимизация крыльев с учетом требований прочности и жесткости // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 3. С. 15-21. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=10340
13.  Schuhmacher G., Stettner M., Zotemantel R., et al. Optimization assisted structural design of a new military transport aircraft // 10th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference (30 August − 1 September 2004; Albany, New York), pp. 3803−3811. DOI: 10.2514/6.2004-4641
14.  Seeger J., Wolf K. Structural optimization of composite aircraft panels with large cut-outs // European Conference on Materials and Structures in Aerospace (26-27 May 2008; Berlin, Germany), pp. 19-27.
15.  Болдырев А.В., Павельчук М.В., Синельникова Р.Н. Развитие методики топологической оптимизации конструкции фюзеляжа в зоне большого выреза // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 3. С. 62-71. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=107473
16.  Niu M.C.Y. Airframe Structural Design. Practical Design Information and Data on Aircraft Structures. 2nd ed. Hong Kong: ‎ Adaso Adastra Engineering Center, 2011. 611 p.
17.  Болдырев А.В., Золотов Д.В. Оценка весовой эффективности центроплана магистрального самолета // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2025. Т. 24. № 1. С. 7-18. DOI 10.18287/2541-7533-2025-24-1-7-18
18. Комаров А.А. Основы проектирования силовых конструкций. Куйбышев: Книжное издательство, 1965. 88 с.
19.  Комаров В.А. Весовой анализ авиационных конструкций: теоретические основы // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2000. № 1. С. 31–39. EDN TEHETV
20.  Семенов В.Н. Конструкции самолетов замкнутой и изменяемой схем. М.: Изд. отдел ЦАГИ, 2006. 227 с.
21.  Гуменюк А.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор": Дисс. ... канд. техн. наук. Самара, 2004. 189 с.
22.  Soenarjo M.A. Aircraft wing box joint. Patent US20130062467A1, 14.04.2015.
23.  Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М.: ДМК Пресс, 2013. 784 с.
24.  Болдырев А.В., Золотов Д.В., Кишов Е.А. Программа для получения равнопрочного распределения материала в комбинированных упругих системах. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU2025612034. Бюл. № 2, 24.01.2025.
25.  Болдырев А.В., Золотов Д.В., Шилимов К.Г. Соединение крыла и фюзеляжа. Патент RU2841722C1. Бюл. № 17, 16.06.2025.