飛機舵面懸掛支架優化設計探索

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 201210）

摘 "要：本文初步探索了在飛機舵面懸掛支架結構設計中，采用Optistruct優化軟件中的拓撲優化、尺寸優化和形狀優化功能，可以快速精確的求得較優的解決方案，能有效的提高設計的效率，同時獲得更優的結構設計。

關鍵詞：懸掛支架;拓撲優化;尺寸優化;形狀優化

1 引言

在飛機結構中，舵面懸掛支架用于將舵面的氣動載荷和慣性載荷傳遞給主承力結構，往往需要承受較大的集中載荷。此外，由于氣流不穩定或舵面操縱引起的顫振，對懸掛支架疲勞設計提出要求。同時操縱舵面所需要的做動器液壓管路和控制電纜需要通過這些懸掛支架，需要在支架上開口以保證設計通路。以上這些因素對懸掛支架的設計提出了較高的要求，用常規的經驗設計方法往往需要經過多次的迭代，才能設計出較為符合要求的零件。因此為了獲得較輕的結構重量和縮短設計開發時間，需要使用新的設計工具。

2 Optistruct優化軟件

Optistruct是專門為產品的概念設計和精細設計開發的結構分析和優化工具，是一種以有限元方法為基礎的優化工具，憑借拓撲優化、形貌優化、形狀優化和尺寸優化，可以產生精確的設計概念或布局[1]。

它是當今最成熟的也是應用最廣泛的優化類軟件，國外的汽車部件或整車大都使用該軟件進行優化，但是在飛機設計領域還尚未普及。很大一部分原因在于飛機結構的復雜以及載荷工況-邊界條件的難以確定[2]。但是對于單個零件而言，仍然可以通過簡化模型以及加載條件來進行拓撲結構的優化。并且在此基礎之上，采用尺寸和形狀優化工具來獲得更輕的結構，或者得到更好的剛度強度設計。

3 懸掛支架優化設計

3.1 模型簡化

圖1所示懸掛支架的簡化受力模型，將三維模型載入HyperMesh后抽取中面，整個模型采用殼單元模擬。

鉸鏈點處的集中載荷由耳片處的螺栓組傳遞給支架，支架與上、下梁緣條各通過8個螺栓連接，梁則用一段“工”字型梁模擬。支架腹板區域為可設計區域，其余部分為非可設計區域。

3.2 拓撲優化、尺寸優化amp;形狀優化

選取合適的計算參數后進行拓撲優化，得到如圖2計算結果，所示為單位密度大于0.5的元素。在可設計區域內優化后的傳力路徑非常清晰。

根據上述結果進行尺寸amp;形狀優化，需要在支架傳力路徑上增加加強筋條。由于立筋的增加，為了準確模擬耳片與加強筋之間的傳力，需將拓撲優化時的單耳片改為雙耳片（圖3）。

在這一步優化中，以筋條處的典型剖面為例（圖4），筋條的高度和厚度以及筋條兩邊腹板的寬度和厚度都是可設計變量。其中t1～t3為尺寸設計變量，h3、w1和w2是形狀設計變量。因此本模型中變量的數量很多，各個變量之間對結果存在著復雜的影響關系?；谧罱K的優化結果對參數的變化十分敏感，因此尺寸amp;形狀優化需要經過幾輪迭代后才能取得一個可信的結論。

當然在尺寸優化中，減少某些設計變量或者將關聯的設計變量進行整合有利于計算，同時較少的尺寸變量也便于制造。如將所有筋條高度、筋條厚度和腹板厚度各自整合為一個變量。

4 幾何模型

在尺寸amp;形狀優化這一步計算中，形狀優化得出的結論為減輕孔的存在對于零件的剛度有較大的影響。但是由于懸掛支架腹板必須開口作為系統管路的通道，并且也可以作為安裝檢修通道，因此保留適當大小的減輕孔是必要的。

將上述支架的優化結果返回到CATIA模型中，針對優化模型中對部分應力較高的區域進行加強，并對應力集中的倒角進行增大，結構如圖5（a）所示。圖5（b）為未經優化的僅有系統管路通道開口的零件作為對比。

將此三維數模建立有限元模型，按極限工況計算其變形及應力分布，可得到如圖6結果。

如表1所示，當保持兩個零件重量基本相等時，在極限載荷下兩者的位移基本相同，但是優化零件的最大應力大約為254MPa，而未優化零件的最大應力約為303MPa。同時由于優化零件有加強筋的存在，能有效提高腹板面的抗失穩性，相對于未優化零件平板型腹板存在明顯優勢。

5 總結

上述工作展示了拓撲優化、形狀優化和尺寸優化等工具在飛機設計領域的初步應用。這些工具的使用能有效的減少零件的概念實際、詳細設計所花費的時間，同時也能取得較好的設計。

但是同時也顯示了，完整的邊界條件、詳細的工況輸入、成熟的目標定義對于優化迭代的準確性是非常重要的。當然，在實際工程應用中，取得最優化的結果往往是不切實際的，也是不實用的。如何在一個在較大的可行設計空間內能滿足性能要求的、較優的設計結果，是一個可行也是具有實際意義的探索方向。

參考文獻：

[1]于開平，周傳月，譚惠豐等.Hypermesh從入門到精通[M].-北京：科學出版社，2005.

[2]Lars Krog， Alastair Tucker and Gerrit Rollema. Airbus UK Ltd. Airbus UK Ltd Bristol BS99 7AR.