基于HyperMesh二次开发的飞行器尾翼复合材料建模和优化分析

刘剑霄　李斌　杜冲

（中国兵器装备集团公司 长沙机电产品研究开发中心， 长沙410100）

摘要： 为解决飞行器尾翼复合材料结构建模复杂、优化工况繁琐等问题，利用HyperMesh二次开发技术开发尾翼复合材料建模优化分析系统.介绍该系统相关二次开发技术以及复合材料建模优化分析技术，并给出应用实例.通过该系统可自动建模，自动提交多阶段优化求解和出具结果报告，极大提高尾翼复合材料建模优化分析效率.

关键词： 飞行器； 尾翼； 复合材料优化； 自由尺寸优化； 铺层优化； 自动建模； Tcl/Tk

中图分类号： V215.21； TB115.1文献标志码： B

Modeling and optimization analysis on aircraft empennage

composite based on secondary development of HyperMesh

LIU Jianxiao， LI Bin， DU Chong

（Changsha Electromechanical Product Research and Development Center， China South

Industries Group Corporation， Changsha 410100， China）

Abstract： To solve the problems of complex structure modeling and complicated optimization cases of aircraft empennage composite， an empennage composite modeling and optimization analysis system is developed using the HyperMesh secondary development technique. An application example is given to introduce the relevant secondary development technique and composite modeling and optimization analysis technique. The automatic modeling， mutistage job submission and result reporting can be implemented by the system. It also greatly improve the efficiency of modeling and optimization analysis of empennage composite.

Key words： aircraft； empennage； composite optimization； free size optimization； shuffling optimization； automatic modeling； Tcl/Tk

收稿日期： 2015[KG*9〗11[KG*9〗17修回日期： 2016[KG*9〗01[KG*9〗05

作者简介： 刘剑霄（1983—），男，湖南新化县人，高级工程师，硕士，研究方向为空地武器翼面结构综合优化，（Email） neu_liujx@126.com0引言

随着材料学科的发展，人们发现复合材料具有比重小、比强度和比模量大、抗疲劳、耐腐蚀、力学性能可设计，以及易于整体成型加工等特点，非常适合于各种飞行器的制造要求.[14]波音787和空客A350上的复合材料用量就分别达到61%和53%，复合材料的相关优化设计方法和软件也越来越受到人们的重视.

HyperMesh作为一款先进的有限元网格前处理软件，提供专门针对复合材料建模的模块HyperLaminate和复合材料铺层定义方式ply+stack.这些模块和功能在很大程度上提高复合材料的建模效率[5]，但是对于一些特殊应用，相关用户仍希望能实现更快的建模速度，最好能一键自动生成而无须手动操作.另外，对一些飞行器的复合材料结构，如尾翼等，截面形状比较复杂，一般不能直接在HyperMesh中创建或是创建过程极其繁琐，经常要先在其他CAD软件中建立模型然后再导入到HyperMesh中划分网格.划分好网格后需要设置复合材料铺层，铺层设置需要考虑单元法向方向、材料方向、铺层数量和优化方案，而优化方案的不同又会影响到铺层方式和铺层数量的不同.因此，即便工程师能熟练操作软件，熟悉优化方法和相关流程，从建模、优化求解到获得具体结果报告仍然需要耗费相当大的工作量，且工序繁多会增大人工失误率.

本文针对整个尾翼优化时流程复杂、效率低等问题，运用HyperMesh二次开发技术完成尾翼建模优化分析系统.应用该系统可以对尾翼进行参数化自动建模、自动铺层、自动设置优化参数提交求解并自动出具优化结果报告，可在很大程度上减少人工操作，既提高优化流程效率，又降低人为失误导致的偏差.

1HyperMesh二次开发介绍

HyperMesh软件自身有一部分是采用Tcl/Tk开发的，其内部嵌入Tcl解释器，能够支持Tcl/Tk的相关程序，因此可以对其进行一些基于Tcl/Tk程序的二次开发.Tcl是一种基于字符串的命令语言，由一个解释器定义和解析，无须编译，对每条语句顺序解释执行，语法和结构都非常简单，容易学习和掌握.Tk是图形工具包，可以创建一些基本图形组件，并通过这些组件触发相应命令函数并完成对应功能.[6]

HyperMesh二次开发主要通过调用其API程序接口的函数命令实现内部模型数据创建和查询等操作.在HyperMesh中进行的一系列操作大多有对应的命令，可以将这些命令转换为Tcl代码，然后把代码中的一些固定的硬码改成变量参数形式，通过调用含参数的进程实现不同参数值的特定功能.[79]实现方法一般有以下几种：一是直接在菜单栏File下点击Run Tcl/Tk Script，选择对应的Tcl代码执行，或者直接在命令栏中输入source查找代码路径；二是通过修改安装目录下的userpage.mac文件，在Utility下的User区域增加按钮，通过这些按钮触发相应的Tcl代码；另外，还可以运用Process Studio进行流程定制开发.这些方法较常见，也较容易实现，但是不够灵活方便，要么把代码写死，要么需要在弹出框中再做一些控件，操作中需要反复移动弹出框，既影响美观又不方便.

本文运用稍复杂的二次开发技术，开发更加简单方便的用户功能和操作界面.首先通过相关API函数命令hm_framework在HyperMesh的菜单栏增加模块入口选项，通过该选项对应的hm_framework相关命令激发新的tab页面，然后在该tab页面内创建相应的功能模块.调用HyperMesh相关HWTK，HWT和HW GUI Toolkit的命令创建相应输入框、图标、按钮和选项等功能组件，将这些功能组件与相应的Tcl代码关联.这些代码代表相应的建模或优化操作命令，所以通过点击这些组件可自动完成代码对应的建模或优化操作.

将开发好的代码打包成安装程序，在任意一台安装有HyperWorks软件的Windows系统上安装该程序并生成一个“尾翼优化”桌面图标，双击该图标即可打开已添加“尾翼建模优化分析”的菜单选项的HyperMesh软件，见图1.点击“尾翼建模优化分析”的菜单选项，即可在tab页面区域弹出“尾翼优化”的功能模块，见图2（图中默认参数已被抹掉）.整个尾翼优化流程都嵌入到该单独的tab页面中.该流程模块又分为4个子模块，在已确认参数的情况下，仅需点击每个子模块，即整个优化分析流程总共点击4个执行按钮便可完成，简洁、方便且高效.

2HyperMesh复合材料优化技术

HyperMesh提供一整套复合材料建模和优化求解方法.复合材料建模比较复杂，关键在于复合材料的铺层定义.HyperMesh提供3种复合材料铺层定义形式：PCOMP，PCOMPG和PCOMPP.PCOMP按次序直接定义铺层；PCOMPG按全局铺层编号定义铺层，从而区分相邻区域中不同铺层间的对应关系.这2种定义方式都不能将铺层以三维形式显示出来.PCOMPP以ply形式分别定义每一铺层并以3D形式显示出来，所以本文采用这种方式定义铺层.图 2尾翼建模模块

Fig.2Empennage modeling module

关于复合材料的优化求解，HyperMesh及其求解器OptiStruct提供一种三阶段连续优化求解方法：自由尺寸优化、铺层尺寸优化和铺层次序优化.该三阶段优化方法依次关联，后一种优化需要基于前一种优化生成的fem文件才能继续.

自由尺寸优化阶段将每一方向铺层分成4层（默认层数，可以更改），例如，可设置0°，45°，90°，-45°等4个方向铺层，每个方向铺层划分成4层后即为16层.自由尺寸优化结果使这16层所包含的单元区域不同，从而使得这16层叠加起来显示出厚薄不同的优化效果，其间需要满足相关制造约束条件，例如：设置最小铺层厚度，45°和-45°铺层厚度一致，铺层厚度不应小于该方向铺层总厚度的10%等.

铺层尺寸优化则以自由尺寸优化的结果为基础，对每一方向上的每一铺层厚度进行优化，其间，需要给定铺层厚度的最大值和最小值约束，通过优化得到每一铺层厚度的最优值.

铺层次序优化是在铺层尺寸优化结果的基础上对铺层的排列次序进行优化.设定最大连续铺层数量，一般还要设置45°和-45°铺层的平衡约束，即45°和-45°铺层总是相邻的.

约束设置和优化目标设置.在本文的优化设计中，设计变量为板属性或铺层厚度，所以约束为体积分数约束或应力约束，目标为柔度最小.

通过三阶段优化方法最终得到一个总体来看厚薄不均、有着最优排序的复合材料铺层优化结果.三阶段连续的复合材料优化方法在HyperMesh中并不是必需的，也可以单独进行.比如，不想造成板厚薄不均的优化效果，可以只选择铺层尺寸优化和铺层次序优化，从而仅优化每个铺层厚度和铺层次序，或仅执行铺层次序优化从而保证每一铺层厚度不变，仅优化铺层次序.

3尾翼复合材料建模优化分析系统

3.1优化流程及其模块介绍

尾翼复合材料建模优化分析系统利用HyperMesh二次开发技术，依据实际需求将整个尾翼建模优化流程操作简化到4个子模块中进行.这4个子模块分别为“尾翼建模”“边界加载”“优化分析”和“生成报告”，分别完成创建尾翼有限元模型、边界条件加载、提交优化求解和依据优化结果自动生成word报告等4项功能.

尾翼的截面形状比较复杂，不容易在HyperMesh中直接创建，需要从外部导入轮廓点数据或是导入几何模型生成尾翼.在“尾翼建模”模块，首先设置“导入翼型截面参数表”选项选择轮廓点数据或几何轮廓线模型，通过该选项自动定义整个尾翼轮廓形状并自动创建.另外，根据设计方案不同，还设置一些可变参数，如翼墙位置定义、翼墙和蒙皮的材料参数等，所有这些参数都预先给出默认值，最后给出优化方案选择项，默认为三阶段优化，如果不想改变板厚和层数则可选择仅铺层优化方案.点击“Create”便可自动创建尾翼模型.

“边界加载”模块提供2种方式加载：一种是默认边界条件的自动加载，只需要点击一个按钮，所有边界条件都按照预先默认情况加载好；另一种是手动选择相应节点施加约束和外力.

“优化分析”和“生成报告”模块都设计得非常简洁，均只有一个按钮，所有操作都由程序后台执行，自动完成优化求解和生成报告.

3.2应用实例

以默认参数值为例，给出一个应用实例操作.

通过菜单栏选项“尾翼建模优化分析”进入到tab页面的“尾翼建模”模块，保持默认参数值，优化类型则默认为三阶段复合材料优化，直接点击“Create”按钮，可以看到在图形显示区域已自动创建整个尾翼模型，见图3.切换到“边界加载”模块，直接点击“自动加边界条件”内的“Create”按钮（见图4，相关参数已被抹掉），便可自动加载尾翼模型的边界条件.图 3尾翼模型切换到“优化分析”模块（见图5），直接点击“提交”，立即弹出OptiStruct的求解状态栏，显示优化求解的进程和相关信息.

图 5优化分析模块

Fig.5Optimization module

如果在“尾翼建模”模块选择的是三阶段优化，这里会自动以三阶段优化求解，每一阶段优化计算完成后会自动清除模型，然后自动导入这一阶段生成的fem文件，接着自动更改该文件的优化设置参数并进行下一轮优化，一直到3个阶段都优化计算完.若在“尾翼建模”模块里选择“仅铺层优化”，这里则会自动按照仅铺层优化提交求解.

优化求解计算完成后便可切换到“生成报告”模块（见图6），直接点击“Run HyperView”，程序自动调用HyperView，自动导入计算结果进行截图和提取数据，最后自动生成word格式的结果报告并显示（见图7），内容包括整个优化的位移和应力云图及铺层优化等结果.

图 6生成报告模块

Fig.6Report generation module

图 7Word格式结果报告

Fig.7Result report in Word format

通过该应用实例可以看出：按照默认设计参数，除切换模块外，每个模块实际只需要点击1次按钮，4个模块总共点击4次即可完成整个建模优化求解并生成报告的流程，简洁高效.

4结束语

阐述基于HyperMesh的二次开发技术以及HyperMesh的复合材料相关建模优化方法，通过对尾翼复合材料建模优化分析系统的定制化开发，大大简化尾翼的建模、优化求解和结果报告后处理过程，实现整个优化流程的规范化、程序化，极大提升尾翼优化分析效率.参考文献：

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（编辑于杰）