基于OptiStruct的飛機懸掛接頭結構優化設計

彭世沖

摘 要 為了滿足飛機結構設計周期短、重量指標要求高的問題，在某飛機懸掛接頭設計過程中，基于HyperMesh對其進行有限元建模。利用OptiStruct拓撲優化技術對該結構進行優化設計。通過優化得到了一種傳力直接，重量較輕，材料分布合理的懸掛結構設計形式。另外，優化結果也表明，采用拓撲優化技術能夠大大減少設計周期，并且在滿足設計要求的前提下，實現飛機結構減重。

關鍵詞 懸掛接頭;OptiStruct;結構拓撲優化;輕量化技術

引言

輕量化設計在飛機結構設計中起著重要的應用。長期以來，飛機結構設計依靠傳統設計經驗以及各種試驗數據的累積，不斷通過設計迭代次數來實現，研制周期長、成本高，不易滿足客戶對研制周期及成本控制的要求。結構拓撲優化技術為實現這種設計提供了可能。

本文基于OptiStruct拓撲優化技術，對某飛機懸掛結構進行有限元模型構建，計算嚴重工況，拓撲優化計算。合理分布結構材料，降低結構應力水平，減小結構的位移變形，提高了結構的強度性能。通過分析驗證確定更加合理的結構形式。結果表明該設計方法有效減少有效了設計迭代次數，節省了研制周期及成本。

1 有限元模型

以副翼懸掛接頭設計為例，此懸掛接頭是用于連接機翼后梁與副翼的連接件，其一端固接于后梁伸出支臂，一端通過軸連接副翼。副翼需在一定角度范圍內上下擺動，并要限制橫向移動，故耳片上用軸承與副翼連接，見圖1。為了確保得到精確的計算結果，在建立計算模型時仔細考慮了外載荷、邊界約束、網格劃分等各因素。加載情況是整個飛機承載中進行局部載荷簡化得到的。基于HyperMesh軟件對懸掛接頭進行有限元建模（約15600個體網格單元），包括可設計區域（紫色）和不 可設計區域（黃色、藍色）如圖2示。

施加邊界條件和載荷：約束見圖2所示。工況1：承受載荷施加點處Z向的集中載荷5000N。工況2：承受載荷施加點處y向的集中載荷1000N。

設置材料特性及定義單元屬性：材料鋁合金7050-T7451。材料密度：2.83g/cm3;泊松比：0.33;拉伸強度：524MPa;屈服強度：469MPa;疲勞強度：71MPa。

構成懸掛結構優化設計的數學模型包括目標函數、約束條件和設計變量[1]。在飛機懸掛接頭結構優化的過程中，優化結構不僅滿足所有載荷工況的約束要求且重量較輕，剛度滿足要求。拓撲優化設計變量為單元密度，目標函數為2種工況的加權應變能最小，約束條件為體積比小于0.4。

2 優化結果分析

經過多次迭代收斂，得到優化結果。各性能參數變化結果見下圖。

從應力云圖3清晰地看到優化材料分布及載荷傳遞路徑，形象地反映了懸掛接頭在受到復合工況集中載荷后的變化。該模型一共經歷了21步優化迭代。懸掛接頭變成一種桁架式結構。綜合了多種工況的傳力特點。滿足強度和剛度性能要求，應力的分布有明顯的改善，承載能力得到了更加充分利用。另外為了驗證計算的準確性，對懸掛接頭結構最大應力進行工程計算驗證[2]。在準確度認可范圍內，認為計算合理。

3 結束語

本文利用OptiStruct對某飛機懸掛接頭進行了拓撲優化，得到的拓撲優化結果反映了懸掛接頭結構受載特點和主傳力路徑。拓撲優化得到的整體結構與傳統組合結構相比，結構受載更均勻，實現了結構輕量化設計，且優化減重效果明顯，結構減重近209g，占原設計總重的19.2%。為以后的結構優化設計提供基礎。隨著增材技術等先進整體件制造技術的發展，未來飛機結構中采用拓撲優化得到的整體結構應用將越來越多。

參考文獻

[1] 張勝蘭，鄭冬黎.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].北京：機械工業出版社，2007：98.

[2] 牛春勻（美）.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，2009：77.