含约束加权最小二乘法的结构试验载荷优化方法

葛路遥

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

基金项目：民用飞机专项科研项目(MJ-2017-F-20)

作者简介：葛路遥（1988—），男，工程师，硕士，主要研究方向为民用飞机结构强度设计，geluyao@comac.cc.

摘要：在先进民机研发过程中，为了提高全尺寸试验验证效率，需要在积木式试验略低一层级进行试验。针对试验载荷优化，基于有限元分析方法，以复材机身舱门曲板结构试验为例，提出了一种采用含约束加权最小二乘法进行试验载荷优化的方法，将试验加载点的作动器量程看作不等式约束，对重点关注区域给予更小的权重系数以提高局部区域拟合精度，计算结果表明所述方法可以确保试验件的受力状态与全尺寸结构受力状态一致。

关键词：全尺寸试验；有限元分析；最小二乘法；载荷优化

中图分类号：V216   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0070-05

在先进飞机的设计和研发过程中，会采用更多的新技术、新材料、新工艺等，因此通常会采用部件级或全尺寸试验进行结构符合性验证。如先进复合材料由于其优异的可设计性，近年来已经广泛应用于民机研发领域，但相比于金属结构，复合材料结构更易受制造工艺、使用环境等影响。目前复合材料结构尚未形成成熟的分析方法^［1-3］，需采用积木式的多层次试验进行验证，其中部件级甚至全尺寸试验必不可少。

为了进一步缩短试验验证周期、降低试验成本，可以在积木式试验的略微低一层级上进行“准全尺寸试验”，同时还可以将湿热环境、损伤性能等因素考虑在内，尽可能发现全尺寸结构的薄弱环节。这种试验的难点在于需要复杂的试验加载设备，并需准确地在试验件上施加载荷与边界条件，从而确保试验件的受力状态与全尺寸结构的受力状态一致。Bakuckas等^［4］首次采用该试验方法对金属窄体客机壁板试验加载技术进行了设计和研究。空客公司在研发A321neo的变种型时，对于舱门壁板试验件要求和加载方法进行了研究^［5］，并采用最小二乘法进行试验载荷优化，这种载荷优化方法也被其他学者^［6］所采用，但载荷优化时并未考虑试验加载量程的限制，且无法提高局部区域的内力精度。

本文以复材机身舱门曲板结构试验为例，提出了一种采用含约束加权最小二乘法进行试验载荷优化的方法，以加载点作动器最终输出力为优化变量，将试验件受力状态分解为各个加载端单位载荷下试验件受力状态的线性拟合，将加载点作动器输出力的上下界作为试验载荷优化的不等式约束，同时为了改善重点关注区域的拟合精度，给予重点关注区域更小的权重系数。