Engineering Technology Research 工程技术研究 第 3 卷第 12 期 2021 年
关于直升机蒙皮结构的探析
全梦彧 李新平 贺 伟 邹 全
北京通用航空江西直升机有限公司 江西 景德镇 333000
【摘 要】：直升机属于低空交通运输工具，应用优化拓扑优化进行结构设计能够有效减轻机身自重，减少油耗，使直升机 的飞行更加灵活，在市场中具有广阔的应用前景。本文以直升机蒙皮结构优化为主题展开讨论，对复合材料层合板进行优化 设计，确保蒙皮强度、刚度以及稳定满足实际需求，介绍优化拓扑技术在蒙皮优化设计中的应用，减轻直升机质量，提升直 升机飞行稳定性。
【关键词】：直升机；结构设计；拓扑优化技术
复合材料属于新型材料，具有比刚度大、强度高的优点，
层合板为复合材料典型结构，在直升机蒙皮设计中应用广 泛。层合板具备可设计性，按照具体情况设计铺设角、铺层 厚度、层块形状参数，确保应用效果最佳。同时，需要应用 拓扑优化技术对直升机蒙皮进行进一步的优化设计，减轻蒙 皮结构的质量，提升直升机飞行性能。
1 复合材料层合板优化设计
本文以Altair Optistruct 软件的应用为基础，对层合板优 化方案进行讨论分析，设计时对制造约束问题加以充分考 虑，保证设计结果可以应用至工程实际。
1.1 自由尺寸的优化
对自由尺寸进行优化时，对层合板的各单元中不同方向 铺层厚度加以调整，保证符合设计性能需求，确定各单元最 佳厚度。在此阶段，需引入“超级层”概念，指的是将具备 相同的铺设角的铺层视作集合，并将超级层厚度视作自由尺 寸的优化变量。在壳单元的建模零件设计中适宜应用该方 式，将各单元各超级层厚度视作变量优化自由尺寸，能够保 证零件超级层厚度最优分布，获取各铺设角铺层最佳厚度，
需明确各层铺层形状和铺设位置。所以，需把超级层分解为 不同形状铺层块。
1.2 尺寸优化
在尺寸优化时，将不同形状铺层块厚度尺寸视作设计变 量，从而测定不同形状铺层块最佳厚度，进而获得各种铺层 块实际的铺设层数。在对自由尺寸进行优化时，可制造性的 约束在该阶段将自动继承，并在对尺寸进行优化时继续生 效。优化结构决定着不同的铺设方向铺层块厚度尺寸最大 值。在此阶段对铺层最小制造尺寸定义[1]。最小制造尺寸和 层合板采用纤维材料存在密切关系，为产品性能参数，代表 制造时铺设纤维层实际厚度。层块厚度为最小制造尺寸整数
倍，换句话说，实际制造时，能够确定不同形状铺层块由多 少层增强纤维单向带来铺设。
1.3 次序优化
获取不同角度、不同形状铺层块实际的铺设层数之后，
需要对实际铺层层叠次序进行优化，确定加工方案。此阶段，
把全部铺层块打乱重排，对实际铺层层叠次序进行优化。按 照层合板相关构件生产特点，该阶段可引入更为严格制造约 束，确保优化结果具备最优良制造性。
2 直升机蒙皮优化
在设计方案中直升机蒙皮所采用材料为T300 碳纤维，
铺设方式为单向带铺，固化成型。模型选择四边形形式进行 网格划分，数量为15076 个，约束蒙皮四周边界节点全自由 度，蒙皮单元施加的压力和航向平行压力载荷，对直升机飞 行机翼前缘受力状态进行模拟。对复合材料的模型进行定义 时，选择经典铺设角，-45°、0°、45°、90°方式铺设，
确定蒙皮模型具有超级层四个，将上蒙皮和下蒙皮视作两个 独立设计区域，为单一分区方式，借助PCOMG 对全部铺层 编号，确保铺层连续性，各超级层厚度应当赋予较大初始尺 寸，为后续的优化过程提供优化空间。
2.1 蒙皮概念设计
在此阶段采取自由尺寸的优化方式进行蒙皮概念设计。
在优化时对50%复合材料的用量进行限定，优化目标是在满 足荷载工况的前提下保证刚度结构保持最优状态。为确保设 计结果具备可制造性，在概念的设计阶段，便考虑制造约束。
例如，对0°、90°的铺层占比进行限制，限制范围为 10%
至60%，-45°、45°的铺层铺设保证比例均衡，最小制造铺 层的厚度定位0.1mm。优化结束之后，可获得各超级层和层 合板的整体厚度分布。需要注意，需对铺层铺设角度加以优 化，从理论角度分析可以获得不同铺层最佳的铺设角，而实
Engineering Technology Research 工程技术研究 第 3 卷第 12 期 2021 年 际制造时，因为铺设的角度无法得到有效保证，因此实际工
程中通常不采用除-45°、0°、45°、90°其他铺设角度。
所以，本文所阐述优化方式不涉及铺设角度优化，直接选择 4 中较为常用铺设角进行模型搭建[2]。优化结束，各超级层 解析成4 组形状不同铺层块。同理，其余角度超级层同样可 以解析为4 种形状不同铺层块，共 16 种，从 11100 至 14400 进行编号，第一位编号数字表示设计区域编号，该研究中设 计区域仅有一个，所以该位均为1，第二位是超级层编号，
共四层用1 至 4 进行表示，第三位为各超级层所解析铺层块 的编号，取值为1 至 4，后两位表示各铺层块具体的铺设层 数，在下个阶段进行尺寸优化获得。因为解析铺层块的形状 具备不规则形特征，对制造存在一定的影响，因此，需要修 剪铺层块。
2.2 蒙皮系统设计
该设计阶段为详细的设计阶段，在概念设计环节获得铺 层块厚度用为设计变量，展开尺寸优化。在自由尺寸的优化 阶段可制造约束应用至该阶段，并在后续优化中继续生效。
为保证设计结果可信度，应用复合材料的失效约束和金属结 构的屈服约束，避免结构出现失效破坏。在该次研究中选择 Tsai-Wu 失效准则，防止层合板为载荷工况时出现单层失效情 况，对金属结构最大应用进行限制，不可大于铝合金材料屈 服极限。优化目标要求在现有工况下，符合制造约束、稳定 性、刚度、强度等要求，并保证结构质量最小，在优化后能 够获取个铺层块厚度尺寸最佳值，按照碳纤维的单向带最小 制造尺寸，便可获得各铺层块铺层数，如下表所示。
铺设角 铺层块 铺层数 铺设角 铺层块 铺层数
-45°
141 1
45°
111 1
142 4 112 4
143 2 113 2
144 3 114 3
小计 10 小计 10
0°
121 2
90°
131 4
122 3 132 3
123 2 133 6
124 1 134 2
小计 8 小计 15
总计 43
2.3 蒙皮详细设计
在对蒙皮进行详细设计时，需要将优化阶段所明确形
状、厚度、位置和铺设层数打乱重排，实现优化结果的进一 步提升，该阶段优化约束、响应、目标继续选择尺寸优化设 定，两个阶段所选用制造约束继续生效。同时，按照层合板 铺贴固化要求，引入更为严格制造约束，确定最终铺层内相 同角度连续叠层的数目不可大于4 层，铺层对称约束。
3 拓扑优化技术在直升机蒙皮结构设计中的应用 当前我国民用直升机普遍存在发动机散热性能较差情 况，究其原因便是蒙皮设计不合理，针对存在问题应用优化 拓扑技术对蒙皮进行优化设计，所选用的材料具有强度高，
抗疲劳性好等优势，可以有效提升直升机飞行性能，减少安 全事故发生几率。同时为确保蒙皮使用性能，公司融合应用 热防护技术，调节折射率、热导率，提升蒙皮散热性能，增 加散热面积，提升直升机散热性能。
结构优化技术中拓扑优化技术的应用具备广泛的前景，
并且创新性十足，能够在给定空间中合理设计材料分布、传 力路径，在符合设计相关需求的同时减轻质量。直升机动力 舱蒙皮使用的复合材料比强度、抗疲劳性能好，能够保障直 升机飞行性能，降低事故的发生。但直升机动力舱蒙皮的使 用时，经常存在高温焦化情况，对直升机蒙皮使用性能产生 影响，增加安全事故的发生概率。所以，为确保直升机蒙皮 使用安全性，防止高温焦化情况产生，应用热防护技术到。
调节折射率、热导率，能够有效把直升机蒙皮的温度控制在 安全范围，降低安全事故发生几率[3]。另外企业通过优化拓 扑技术对直升机的外形结构进行调整，提升蒙皮的散热性 能，增加散热面积，提升直升机的散热性能，原本较不符合 气动布局的蒙皮经修改，形成合理的方案。采用传统设计时，
设计结果的精准性主要取决于人员实践经验，同一使用工况 情况下，为符合功能需求，不同的设计人员所设计的直升机 结构也有所不同，重量存在差异，设计结果难以达到最优化。
在直升机结构最初设计阶段，借助初步载荷便能够通过拓扑 优化技术确定结构基本构型，以此构型为基础详细设计，减 少反复减重优化设计步骤，减小设计的难度，提升材料利用 率，优化设计质量。
4 总结
因为直升机飞行的特殊需求，需要对结构进行优化设 计，尽量减少自身质量，从而减小能源的损耗。同时结构对 刚度、强度的要求较高，本文对层合板刚度、强度、稳定性 优化设计进行分析，另外随着科学技术的不断提升，在直升 机结构设计中拓扑优化技术的应用逐渐普及，通过拓扑优化 技术能够准确获取结构可省去部分，减轻直升机总体质量，
提升直升机飞行性能。
Engineering Technology Research 工程技术研究 第 3 卷第 12 期 2021 年 参考文献：
[1] 纪斌,金栋平.柔性伸缩蒙皮支撑结构的多目标拓扑优化[J].计算力学学报,2018(01):1-6.
[2] 吴元琦.飞行器舵翼结构的仿生轻量化设计及其力学性能研究[D].南京航空航天大学,2017.
[3] 马文昌.直升机主桨叶翼尖蒙皮褶皱问题改进研究[J].纤维复合材料,2017,34(02):33-35.
