翼身融合客机PRSEUS壁板参数识别研究与优化设计

王凯剑 张睿 李岩

摘要：PRSEUS壁板结构为翼身融合布局客机的非圆截面机身结构提供了一种创新的解决方案。本文对PRSEUS壁板进行了不同载荷条件下的参数识别研究，提取了关键设计参数，并以此为基础进行了优化设计。首先，提取了PRSEUS壁板的设计参数，在考虑各组件叠放顺序的基础上进行参数化建模。其次，基于ISIGHT平台，采用试验设计（DOE）方法，对PRSEUS壁板在承受机翼展向弯曲载荷、机身轴向弯曲载荷与客舱增压载荷三种工况下的受力情况进行了分析，提取关键参数。最后，采用组合优化方案，对PRSEUS壁板结构在单一载荷与组合载荷下进行优化设计，提高了优化效率。优化后的PRSEUS壁板结构承载效率大幅提升，较初始方案减重11.696%，为翼身融合布局客机结构设计提供了参考。

关键词：PRSEUS壁板；翼身融合客机；参数化建模；关键参数识别；优化设计

中图分类号：V22文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.05.007

美国国家航空航天局（NASA）提出的环境友好航空项目（ERA）旨在通过探索新型的客机结构概念，开发先进的飞机结构，从而在满足载荷条件的情况下提高燃油效率[1-2]。对传统的“圆截面机身-机翼”结构的改进已不足以实现预期目标，翼身融合（blended-wing-body，BWB）布局客机结合了飞翼布局与传统运输机的特点，在气动、油耗、噪声和载客量等性能方面相较传统客机有显著提升。早期，对翼身融合客机的研究侧重于空气动力学、稳定性与控制方面。近年来，能满足BWB客机特点承载要求的新型结构性能越来越受到关注[3-8]。

传统的圆形截面机身承受增压载荷时蒙皮会产生周向张力，然而BWB客机的壁板结构会承受机身轴向与机翼展向的弯曲载荷、面内载荷与客舱增压载荷。而且，受压面板承受双重弯曲曲率（面板的中心和边缘向相反方向弯曲），这会导致壁板出现较大的局部应力。因此，与具有明确传力路径的传统客机结构相比，这种几乎平坦的壁板结构需采取新型的结构设计以满足要求。为此，波音公司提出了拉挤杆缝合一体化结构（pultruded rod stitched efficient unitized structure， PRSEUS），研究发现此结构在翼身融合客机中部使用具有巨大的发展前景[3-10]。

本文从PRSEUS的结构特点入手，在考虑各组件叠放顺序的基础上，构建了由蒙皮、止裂带、隔框及其泡沫芯、长桁、拉挤杆等组成的PRSEUS壁板结构模型；提取其结构主要设计参数进行参数化建模；基于ISIGHT优化平台，集成参数化建模与有限元分析，采用试验设计方法（design of experiment，DOE），对其承受机翼展向弯曲载荷、机身轴向弯曲载荷与内部压力载荷这三个典型工况进行关键设计参数识别分析；结合DOE与数值优化算法，考虑单一载荷与组合载荷，对PRSEUS壁板进行优化设计，达到提高承载效率与减重的目标，为后续的翼身融合客机结构多学科优化设计提供参考。

1 PRSEUS壁板结构分析与建模

1.1 PRSEUS壁板结构特点

PRSEUS壁板结构主要由蒙皮、止裂带、碳纤维包裹的拉挤杆与泡沫芯等部件组成，如图1所示。蒙皮处于顶层，上覆隔框止裂带与长桁止裂带，长桁与隔框的底部翻边与止裂带、蒙皮缝合在一起，隔框与长桁垂直布置。PRSEUS壁板主要用于翼身融合客机中部，与传统布局客机不同，BWB客机处于飞行状态时壁板主要承受三个方向的载荷，如图2所示，且机身轴向弯曲载荷与机翼展向弯曲载荷处于同一数量级。机翼展向的弯曲载荷主要由隔框承担，隔框内部的泡沫芯可有效减轻结构重量（质量），并增加机翼展向的承载能力。布置在长桁顶部的高模量拉挤杆承担大部分机身轴向的弯曲载荷，有效地增强了壁板整体的抗弯性能。客舱内部的增压载荷由壁板整体承担。长桁与隔框的底部翻边与止裂带、蒙皮之间的缝合工艺有效抑制了复合材料分层。

1.2 PRSEUS壁板建模

本文选取的研究对象为含有双隔框与5根长桁的PRSEUS壁板。PRSEUS壁板几何模型如图3所示。

提取其主要设计参数，对其进行参数化建模，共提取设计参数10个，设计参数与初始数值见表1。为提高有限元计算精度，需在建模时考虑各组件壳厚度因素。在有限元分析中，对壳单元一般采用参考面为中性面的方法来处理，本文在建模时根據PRSEUS壁板各部件的叠放顺序，对各组件的位置采取参数化建模，使得其位置可根据参数改变自行调整，从而保证有限元计算精度，如图4所示。PRSEUS壁板由下至上叠放顺序为蒙皮、隔框止裂带、长桁止裂带、长桁、隔框，根据定义的厚度参数即可计算出各组件的偏移量，提高分析效率。

1.3 PRSEUS壁板有限元模型

有限元模型中，采用四节点壳单元模拟蒙皮、止裂带、隔框与长桁的包裹层；采用八节点实体单元模拟隔框泡沫芯与拉挤杆。在PRSEUS壁板结构中，长桁贯穿隔框底部开口形成支撑关系，如图5所示。为模拟PRSEUS壁板隔框止裂带与长桁止裂带的叠放关系且0°纤维方向不同的结构特点，将止裂带几何模型进行分割之后再设置铺层，实现双向止裂带的铺层设计，如图6所示。PRSEUS壁板整体有限元模型如图7所示。

本文对PRSEUS壁板承受机翼展向弯曲载荷、机身轴向弯曲载荷与客舱增压载荷三种工况进行参数识别研究。对壁板的边界条件设定如图8所示，机翼展向弯曲载荷为10000N？m，机身轴向弯曲载荷为5000N？m，客舱增压载荷为0.19MPa。

1.4 PRSEUS壁板材料参数

蒙皮、止裂带、隔框与长桁的包裹层材料为AS4碳纤维复合材料，其中蒙皮、止裂带、长桁包裹层所采用的层合板包含9层铺层，铺层角度为[45/-45/0/0/90/0/0/-45/45]，隔框包裹层所采用的层合板包含18层铺层，铺层角度为[45/-45/0/0/90/0/0/-45/45]s；蒙皮、隔框包裹层与隔框止裂带纤维0°方向为隔框方向，长桁包裹层与长桁止裂带纤维0°方向为长桁方向。布置于长桁顶部的拉挤杆材料为T800碳纖维与环氧树脂，隔框内部的泡沫芯材料为Rohacell泡沫[1-2，4，10]。各材料参数见表2、表3。

2 PRSEUS壁板结构参数识别研究

PRSEUS壁板在设计中需根据实际载荷情况对各参数进行优化设计。为量化设计参数对壁板承载能力的影响程度，本文采用试验设计（DOE）方法对关键设计参数进行识别[11-13]。采用最优拉丁超立方采样试验设计方法提取样本点，可使所有的试验点尽量均匀分布在设计空间，具有良好的空间填充性与均衡性，共选取200个设计点。

2.1参数识别方法

2.2 ISIGHT试验设计集成

在DOE分析中通过Simcode组件集成参数化建模、有限元分析与结果输出，流程如图9所示。设计参数的取值范围为各参数的90%～110%。

2.3参数识别计算结果与分析

PRSEUS壁板在不同载荷下响应与设计参数密切相关，本文以壁板在承受机翼展向弯曲载荷、机身轴向弯曲载荷与客舱增压载荷三个工况下的最大应力、最大位移、应力质量系数与位移质量系数为分析目标，研究壁板设计参数对分析目标的影响。相关系数表显示了所有设计参数与分析目标基于线性分析方法的相关性，横向为设计参数，纵向为分析目标。图10显示了三种工况下最大应力、最大位移与所有参数的相关系数，图11显示了三种工况下应力质量系数、位移质量系数与所有参数的相关系数。

Pareto图反映样本拟合后所有设计参数对每个响应的贡献程度百分比，蓝色代表正相关，红色代表负相关，各工况下关键参数对应力/位移质量参数的贡献程度如图12～图14所示。设计参数对壁板重量的贡献程度如图15所示。

根据分析相关系数表与Pareto图，可找到与各个分析目标关联性较强的设计参数。关键参数与贡献百分比见表4。

综合表4结果可知，影响PRESEUS壁板的承载能力的主要参数有隔框高度、隔框包覆层复合材料厚度与长桁高度等。影响壁板总质量的重要参数有隔框包覆层复合材料厚度、隔框高度、长桁包覆层复合材料厚度与蒙皮厚度。

在承受机翼展向弯曲载荷时，增加隔框高度对提高结构效率效果明显。在承受机身轴向弯曲载荷时，长桁高度对降低最大应力与位移，提高结构承载效率起决定作用。承受客舱增压载荷时，最大应力水平主要由隔框包覆层复合材料厚度与长桁高度影响，最大位移主要由长桁高度与隔框高度影响。结合各参数对总质量的影响，隔框高度虽然可增加结构的位移质量系数，却与其应力质量系数成负相关。增加长桁高度可有效提高承受客舱增加载荷时的承载效率。

3 PRSEUS壁板结构优化设计

全局算法具有在整个设计空间内寻求最优解的能力，但由于需排除非最优解需要大量时间，所以优化效率较低。数值优化算法包括梯度下降、共轭梯度法等，优化速度快，但对于复杂的模型容易陷入局部最优解。本文结合DOE试验设计与优化设计算法，在DOE的设计空间中找到最优解，再以此设计点为初始方案，采用数值优化算法对设计方案进行优化设计，优化目标为重量最轻。约束条件以初始方案计算结果为基础，适当增加最大位移值。

此外，为模拟PRSEUS壁板实际工况，增加了壁板在组合载荷情况下的模拟计算。在相邻两边固支，另外两边加载机翼展向弯曲载荷与机身轴向弯曲载荷，均为1000N？m，此外还有客舱增压载荷0.1MPa。优化设计约束条件见表5。

优化历程如图16所示。在第12、23、34、67轮优化计算中壁板质量明显下降，此后质量逐渐收敛至6.04kg，经过158轮求得最终优化方案。初始方案、DOE最优方案与最终优化方案设计参数见表6。计算结果如图17、图18所示。

壁板在机翼展向弯曲载荷下时，最大应力位置为隔框顶部；承受机身轴向弯曲载荷时，最大应力位置为长桁顶部的拉挤杆；承受客舱增压载荷时，在隔框两端与蒙皮连接处会出现应力集中，整体应力水平不高。PRSEUS壁板承受组合载荷时，壁板的中心和边缘向相反方向弯曲，与加载端距离最近的拉挤杆与隔框顶端应力较大，最大应力位置出现在与加载端距离最近的拉挤杆处。三种方案重量对比见表7。各工况下初始壁板方案、DOE最优方案与最终优化方案的分析见表8～表11。

根据表6、表7对比结果可知，DOE最优方案与最终优化方案的隔框高度基本保持不变，长桁高度有所增加。其他设计参数在设计范围内略有减少，实现减重目的，且提高了结构承载效率，与前文中的关键参数识别结论基本一致。

DOE最优方案总质量6.32kg，较初始方案6.84kg，减重0.52kg（-7.6%）。DOE最优方案除在承受机身轴向弯曲载荷时的最大应力与最大位移小幅增加外，其他单一载荷与组合载荷下，壁板的应力位移水平均不变或降低，应力质量系数与位移质量系数均提升明显，说明与初始方案相比，DOE最优方案提高了结构的承载效率。

最终方案总质量6.04kg，较DOE最优方案减重0.28kg（-4.43%），較初始方案减重0.8kg（-11.696%）。最终优化方案的最大应力、位移水平与DOE最优方案相比有所降低，应力质量系数和位移质量系数与DOE最优方案相比持平或有所增加。说明本文采用的优化设计降低结构应力水平，提高壁板结构承载效率效果明显，且达到了减轻结构质量的目的。此优化方法可为之后的BWB客机结构设计提供参考。

4结论

PRSEUS壁板结构为翼身融合布局客机非圆截面机身结构提供了一种创新的解决方案。本文针对PRSEUS壁板处于承受机翼展向弯曲载荷、机身轴向弯曲载荷与客舱增压载荷三种载荷工况下的受力情况进行了分析，识别了关键设计参数，在此基础上，考虑结构的单一承载与组合承载情况，对结构进行了优化设计，较初始方案减重11.696%。通过研究，可以得出以下结论：

（1）提取PRSEUS壁板主要设计参数，考虑壁板各部件连接关系与叠放顺序，对其结构进行参数化建模。

（2）基于ISIGHT平台，集成参数化建模与有限元分析；采用试验设计方法，对PRSEUS壁板处于承受机翼展向弯曲载荷、机身轴向弯曲载荷与客舱增压载荷三种工况下的受力情况进行了关键参数识别分析；提出了应力质量系数与位移质量系数以评价结构承载效率；根据DOE分析结果，分析了三种工况下影响壁板结构最大应力、最大位移与承载效率的关键参数，为PRSEUS壁板结构优化设计提供参考。

（3）结合试验设计与数值优化算法的优点，采用组合优化策略，在单一载荷与组合载荷下对PRSEUS壁板结构进行优化设计；以DOE设计样本中的最优方案为优化初始方案，既避免陷入局部最优解，又提高了优化效率；经158轮计算壁板质量收敛到6.04kg，设计参数变化趋势与参数识别结果一致；优化后的PRSEUS壁板结构大幅提高结构承载效率，且较DOE最优方案减重0.28kg（-4.43%），较初始方案减重0.8kg（11.696%）。为翼身融合布局客机结构设计提供了方法与参考。

在后续对PRSEUS壁板优化方法的完善中，可增加屈曲分析、振动分析与疲劳分析等；可采取代理模型进行更细致的参数识别研究；本文未对缝线连接处进行建模分析，在后续研究中会结合缝合结构特点进行分析，研究对结果的影响。

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（责任编辑陈东晓）

作者简介

王凯剑（1994-）男，硕士，助理工程师。主要研究方向：飞行器结构设计与优化。

Tel：13810976650

E-mail：wkjchaser@foxmail.com

张睿（1986-）女，硕士，高级工程师。主要研究方向：飞行器结构优化设计。

Tel：010-84936586

E-mail：zrbuaa@sina.com

Parameters Identification Research and Optimization Design of PRSEUS Panel in Blended-Wing-Body Civil Aircraft

Wang Kaijian*，Zhang Rui，Li Yan

Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100028，China

Abstract： The PRSEUS panel structure provides an innovative solution for the non-circular cross-section fuselage structure of blended-wing-body aircraft. In this paper， the parameters identification of PRSEUS panels under different load cases is studied in order to extract key design parameters. And the optimization design is carried out based on this. Firstly， the design parameters of PRSEUS panel were extracted. PRSEUS panel was parametrically modeled on the basis of connection relationship and stacking sequence of the components. Secondly， based on ISIGHT platform， the key parameters of PRSEUS panel under three load cases were identified by using DOE method. Finally， the combination optimization method was adopted to optimize the PRSEUS panel structure， which improves the optimization efficiency. The optimized PRSEUS structure greatly improves the structural load-bearing efficiency and reduces the weight by 11.696% compared with the initial plan. This paper provides a design method for the blendedwing-body civil aircraft structure.

Key Words： PRSEUS panel； blended-wing-body aircraft； parametric modeling； key parameters identification； optimization design