優(yōu)化設計技術在民機中地位

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1尺寸優(yōu)化與形狀優(yōu)化

根據(jù)拓撲優(yōu)化的結果，在支架傳力路徑上增加加強筋條，筋條高度為8mm；同時由于立筋的增加，為了更準確模擬鉸鏈接頭與耳片之間、耳片與加強筋條之間的傳力，將耳片與接頭設計為如圖5所示；簡化了梁與支架的連接，在原來支架與梁的連接處用固支約束模擬緊固件連接。在這次優(yōu)化中，以筋條處的典型剖面為例，筋條的高度和厚度以及筋條兩邊的腹板的寬度和厚度都是設計變量。由于本模型中含5個十字形筋條，另有2個類似筋條，變量的數(shù)量很多，各個變量之間存在著復雜的影響關系，最終的優(yōu)化結果對參數(shù)的變化十分敏感。

2結構驗證與對比分析

經過拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化，我們最終得到了較為理想的設計方案。將上述支架的優(yōu)化結果返回到CATIA模型中，并經過相應簡化后。為了驗證該優(yōu)化方案的可靠性，特對此機構進行有限元分析計算，將此三維數(shù)模建立有限元模型，按極限工況計算其變形及應力分布，將其計算結果與之相比較可知：零件在兩個工況下的位移和應力分布情況與殼模型計算的結果較為接近，并且滿足零件的初始設計約束。同時，在實際零件設計中，對殼模型計算中的應力集中點菜用大圓角過度設計，零件的最大應力水平有顯著降低。

3優(yōu)化結果分析

在未引入優(yōu)化設計方法之前，該零件的筋條布置往往參考相關機型同類型零件的設計或依據(jù)經驗設計。為兩個零件為以傳統(tǒng)方式設計的未經優(yōu)化的零件。通過拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，在不改變零件材料且不犧牲自身彎曲剛度的前提下，實現(xiàn)了該零件的輕量化設計。在工況13個支架零件的應力和變形云圖（左側為應力云圖，右側為變形云圖）。在工況1，3個零件的最大變形量基本一致并且最大應力接近，但是優(yōu)化后零件相比零件A質量減輕15.5%，相比零件B質量減輕21.3%。如果考慮在支架腹板上增加液壓及電纜通道的情況下，零件A和零件B需要在腹板處開孔，這兩個零件的剛度還將進一步減弱。

4結束語

通過使用HyperWorks的結構優(yōu)化軟件，在給定的邊界條件下通過拓撲優(yōu)化技術尋找出在優(yōu)化空間內的最佳材料布局，使懸掛支架在保持剛度的情況下，最終質量（相對零件A）由2.066kg減輕到1.745kg，最大應力由286.6MPa減小到268.1MPa，實現(xiàn)了零件結構的輕量化設計。將平尾后緣艙其余的懸掛支架以及普通肋進行類似的優(yōu)化設計后共能減輕大約2~2.3kg質量。在初步設計階段，懸掛支架及普通肋總重為10.7kg，即通過零件優(yōu)化設計，能使其質量減輕約15.7%~17.7%。通過在初步設計階段對優(yōu)化軟件的應用，可以發(fā)現(xiàn)對于零件設計而言，工況載荷輸入及邊界條件的設定對于整個優(yōu)化流程相當重要。這些初始輸入的簡單變化也將導致拓撲優(yōu)化的結果發(fā)生變化，進而使尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化的結果相差甚遠。同時，在尺寸和形狀優(yōu)化過程中，設計變量的選取對計算結果的影響也非常明顯，合理地選取這些參數(shù)能有效減少計算時間并且能取得較好的結果。由上述可知，平尾后緣艙懸掛支架的優(yōu)化設計驗證了HyperWorks軟件的optistruct模塊在高精度制造產品的成功應用，說明了該優(yōu)化分析技術在航空制造產品行業(yè)中是非常優(yōu)秀的，打破了設計工程師憑傳統(tǒng)經驗設計產品結構的歷史，為機械結構設計提供理論依據(jù)和有效技術支持。隨著航空技術的發(fā)展，optistruct模塊的優(yōu)化設計概念將會被越來越多的工程技術人員所接受并有效運用，屆時它將真正成為航空產品結構設計工程師的左膀右臂。

作者：杜發(fā)喜單位：成都飛機工業(yè)有限責任公司