基于HYPERWORKS的水密框腹板結構優化

賈偉

摘要：為降低結構重量，提高結構效率，本文以某型水上飛機的水密框為對象，綜合強度、穩定性、加工等方面的要求，對腹板尺寸進行優化，以達到減重的目的。基于Altair公司的Hyperworks平臺，建立有限元模型，運用Optistruct對腹板尺寸優化，形成更優的結構設計方案，達到水密框腹板在保證功能的前提下重量較輕的目的。

關鍵詞：水上飛機；水密框；結構優化；減重

1 概述

某型水上飛機的水密框帶有艙門結構，且需考慮水密的功能要求，在設計之初，僅考慮腹板使用一體化機加的方案，受限于機加工藝設備能力，結構裕度較大，存在明顯的減重空間。本文通過Hyperworks軟件，在腹板結構尺寸滿足穩定性計算的要求下，通過有限元分析計算，將結構中腹板和立筋的厚度優化，達到結構減重的目的。

2 結構簡介

水密框是機加和鈑金組合框，框腹板上的橫縱筋條對腹板提供支撐。在框腹板中間布置有開口，用于安裝通艙門。在框的頂部的接頭，與背鰭連接，傳遞背鰭接頭的載荷。在外框緣與蒙皮的連接。結構示意如圖1所示。

由于水密特性，水密框采用抗腐蝕性能較好的7050-T7454的鋁合金材料，該材料的壓縮彈性模量值為73.08MPa，剪切模量值為26.89MPa，泊松比值為0.33，材料密度值為2870kg/m3。

3 水密框有限元分析

水密框，除能夠維持外形并提供足夠的橫向剛度外，主要用來承受集中載荷、飛機底部傳來的載荷；同時還承受蒙皮對外框緣的剪流。由于承受集中力，在框平面內存在彎矩，剪力以及軸力。在此將腹板簡化為殼元。

由于在嚴重工況下，腹板主要承受剪切載荷，立筋受壓縮載荷，通過剪切的穩定性計算、立筋的穩定性計算得出，現有設計下的框腹板剪切安全裕度較大（1.206），可通過減小厚度值實現減重的目的。

4 水密框腹板尺寸優化

本文運用Hyperworks軟件，首先利用Optistruct的優化設計功能，對腹板質量分布進行優化，在質量分布小的區域調整立筋的布置；再利用Optistruct的尺寸優化設計方法對腹板及立筋的厚度值進行優化，最終實現減重的目的。

腹板及立筋的尺寸優化問題描述：設計目標：最小結構重量；設計約束：腹板剪切應力小于67.1MPa；立筋壓縮應力小于169.88MPa。尺寸優化設計變量：腹板每個殼單元厚度。

結構優化前，可由腹板的靜力分析模塊得到如圖2所示的應力云圖，可以清晰的反應腹板承載的情況，腹板在接頭下方區域的受力最為明顯。

運用Optistruct得到腹板結構優化效果圖，形象的反應了腹板結構優化后的厚度分布。水密框在優化前重量為45.75kg，優化后為37.73kg，在滿足強度和穩定性要求的情況下，重量減輕了18%，實現了最初減重的目的。

參考文獻

[1]王寶忠等.飛機設計手冊第十冊[M].航空工業出版社.2000

[2]牛春勻（美）著.馮振宇，程小全譯，實用飛機結構應力分析及尺寸設計[M].北京：航空工業出版社，2009.

（作者單位：中航通飛研究院有限公司）