基于HyperStudy的某飛機頂部板箱體輕量化設計

張凱 陳晶

摘要：為了降低某民用飛機頂部板箱體重量。針對某飛機的頂部板箱體進行輕量化設計，通過建立該箱體的有限元模型，確定各零件的厚度的取值范圍，應變位移的約束條件后，運用GRSM算法對各零件的厚度進行了優化設計。完成了頂部板箱體減重0.5kg的目標。通過HyperStudy快速高效地完成某民用飛機頂部板箱體減重任務，極大提高了產品的性能。

關鍵詞：飛機 頂部板箱體 輕量化 有限元分析 HyperStudy

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）05-0023-03

Abstract：In order to reduce the weight of the top panel box of a civil aircraftMethod According to the light weight design of the top panel box of an aircraft， byestabliohing the finite element model of the box， determining the value range ofthe thickness of each part and the constraint conditon of strain displacement， theGRSM algorithm is used to optimize the thickneos of each partAchieved the goal ofweight reduction of 0.5kg for the top panel box Through HyperStudy to quickly andeffiaently complete a civil aircraft top panel box weight reduction task， greatly improvethe performance of the product

Keywords： ship control console Man-machine ergonome Simulation Layout Jack

在飛機設計行業中，有一句經典名言：“為減輕飛機每—克重量而奮斗”，飛機減重就意味著飛機的油耗小，成本低，更環保節能，減少二氧化碳排放。飛機結構與其他工程結構相比，在許多方面存在很大的差異，原因在于，要想設計出一架高效能的飛機，即能夠承載高百分比的有效載荷，減輕結構重量顯得極為重要。因此，機載電子設備的結構輕量化設計成為機載電子設備研制中的一項重要工作內容，結構輕量化設計是指在力學性能分析的基礎上，運用最優化理論和方法，在滿足約束條件的區域內搜索并確定各參數最優的取值組合，使重量最輕[1]。為了實現輕量化這個目標，需要從外形構造、材料選擇、可實現制造工藝以及成本等多方面綜合考慮。某飛機頂部板箱體作為飛機控制面板組件及調光系統的重要承載結構件，其重量最大，外載荷最大，連接的產品最多，通過對該系統的減重任務進行分解，該頂部板箱體需要實現減重0.5kg的目標，占整個系統減重目標的30%。本文針對的某飛機的頂部板箱體進行輕量化設計，基于HyperWorks建立該箱體的有限元模型，確定各零件的厚度的取值范圍，應變位移的約束條件后，運用HyperStudy中GRSM算法對頂部板箱體各零件的厚度進行了優化設計。

一、輕量化設計理論基礎

輕量化設計的實質就是將結構優化設計方法在產品減重方面的應用，任何一個機械設計方案一般都是由若干個設計參數所決定的，優化設計理論能夠為結構設計人員進一步減輕結構重量指出正確的方向。這些設計參數可以是零件的直徑或長度等。

設計參數一般分為兩類，一類是在結構優化設計過程中是確定不變的，這類設計參數在優化迭代計算時，始終保持不變，例如各個零件確定材料類型后，彈性模量和許用應力作為材料的固定屬性，不會被調整。另一類是在設計過程中可以在一定范圍內取不同的值，如零件的長寬高三個方向的尺寸等，這類設計參數就稱為設計變量。復雜的優化設計一般意味著有更多的設計變量，求解過程越難收斂。同時設計變量的取值范圍總會受到各種約束條件的限制，最優化設計就是要從無數個可行方案中尋求最優方案。

那么，什么是最優呢？這里必然有一個評價優化結果的標準。對于不同的優化設計問題，優化設計的目標各不相同，而在結構輕量化設計中是以重量最輕作為最佳的標志。輕量化設計的本質就是要在一定的取值范圍內找到一組最合適的設計變量，使產品重量變得最小。因此輕量化設計可作如下數學描述：

最優函數：

f（x）→min

（1）

設計變量：

X=（x1，x2，…，xn）T

（2）

約束條件：

gi（X）≤0 i=1，2，…，n

（3）

設計變量、約束條件和目標函數作為輕量化設計的三要素[2]，按已建立的優化數學模型計算目標函數值和相約束函數值并進行判斷，若目標函數未達到最優或約束條件未能全部得到滿足，則計算機將根據選定的參數優化方法自動改變參數并重復上述過程，直至目標函數值達到最優，約束條件全部滿足，這時優化過程結束。

頂部板箱體的整體結構如圖1所示，主要由底座、連桿、接頭、蓋板、底板、頂板、側板、肋板組成，零件的材料均采用高強度鋁，表面作導電氧化處理，連接方式主要采用螺釘連接和鉚釘連接。

頂部板箱體位于飛機駕駛艙駕駛員頭部正上方，是頂部控制面板的固定安裝架，與飛機的桁條直接相連接，會長期承受飛機起飛、降落時的劇烈振動和沖擊，頂部板箱體必須具有足夠的剛強度才能夠承受巨大的外部機械力[3]。頂部板箱體的設計原則是在保證箱體剛強度的基礎上，提供一種箱體結構來保證頂部板最有效的實現其功用，也就是使飛機在全壽命周期內所付出能源損耗最小，所以整個箱體都選用各種薄壁零件連接而成。箱體中主要承力零件是兩側的側板和中間的肋板，安裝在頂部板箱體上的控制面板通過快卸鎖釘連接在側板和肋板的走絲軌上。側板和肋板都屬于薄壁零件，為了增加這些零件的剛強度，通過在上下邊緣處采用雙向折彎翻邊的設計，折彎翻邊將使結構零件的剛強度大幅增加，進而使整個頂部板箱體的剛強度能夠滿足飛機各項機械環境試驗要求。并且，在中間的肋板上開有各種形狀的減重孔、槽，通過去除多余的材料來降低箱體的整體重量。

三、有限元分析

（一）有限元模型建立

為了提高頂部板箱體有限元仿真的效率，同時，受到計算機資源的限制。根據實際模型的特點，對頂部板箱體的幾何模型作了如下的簡化，重點關注頂部板箱體的主要結構件[4]。

1.在頂部板箱體中存在很多細節特征，比如鈑金折彎零件上的細小止裂槽、半徑較小的圓角和過線孔等，刪除這些細節特征將對應力、位移等結果的分布只產生較小局部影響的特征刪除，可以減少計算量和求解時間、提高網格劃分質量等，而不會影響到分析結果的精度[5]。

2.在頂部板箱體中，存在大量的螺釘連接和鉚釘連接，這些連接方式都是依靠螺釘、螺母、鉚釘等細小標準件來實現的，但是連接件本身的特征眾多、外形復雜，使模型有限元分析過程中計算規模成倍增加，而這類連接件對頂部板箱體的力學特性的影響較小，因此，必須對它們進行一定的簡化或將其刪除，否則可能無法得到最終的結果。

3.由于頂部板箱體上安裝的控制面板并不是此次有限元分析和優化設計的重點，為了提高求解效率，將所有控制面板及電源板簡化為一集中質量點替代，并忽略其對頂部板箱體剛度的影響。

由于頂部板箱體的主要結構件均為薄壁零件，所以在HyperMesh中采用抽中面的命令提取出各薄壁零件的中面，用三角形和四邊形的殼單元進行網格劃分，建立頂部板箱體的有限元模型，如圖2所示，具有的單元總數為108077，節點總數為112847。

頂部板箱體主要零件的材料屬性如表1所示：

（二）邊界約束條件及載荷

頂部板箱體在實際安裝環境中是通過螺栓連接將前后共3個接頭固定在飛機的桁條上，所以在有限元模型中是對接頭上的安裝孔約束六個方向的自由度[6]，如圖3所示。

頂部板箱體在仿真過程中施加的載荷主要依據《某飛機機載設備機械環境試驗要求》，振動試驗采用正弦激勵，在規定的頻率范圍內，其加速度試驗量級的控制值應限制在規定量值的±10%范圍內。正弦振動試驗的類型分為定頻試驗和掃描試驗兩類，掃描試驗又可以根據頻率的變化方式分為線性掃描和對數掃描兩種。前面正弦振動試驗中在共振點駐留過程為定頻振動，是耐久性振動試驗，考核零件的疲勞應力。掃頻試驗中頻率將按一定的規律發生變化，振動量值是縱坐標，頻率是橫坐標。對數掃描中頻率是按對數方式進行變化，掃描率可以是oct/min，oct/s，oct是倍頻程。例如從5-10Hz是一個倍頻程，從10-20Hz也是一個倍頻程，就是說對數掃描時低頻掃得慢而高頻掃得快。

試驗的過程為：首先，進行正弦振動掃頻循環，持續時間最低0.5h;從初始掃頻確定的關鍵頻率中選擇4個最嚴酷頻率。在每個選定頻率上駐留0.5h。在每個共振駐留期間，調節試驗頻率值，使所駐留的振動共振峰能保持最大加速度響應，掃頻循環所用的時間為3h;使設備處于工作狀態，進行正弦振動掃頻循環，持續時間最低0.5h。

振動試驗曲線如圖4所示，其中，雙振幅是指其峰一峰值（P-P），即y方向上波峰到波谷的位移，在5-15Hz范圍內為定振幅0.05inch，在15-55Hz范圍內為定振幅0.005inch，在55-500Hz范圍內為定加速度1.5g。

（三）頻率響應分析

頂部板箱體振動試驗的頻率范圍為5-500Hz，施加的激勵的波形為正弦波，相關的參數如下：

位移：X=Dsin（ωt）

（4）

其中，ω=2πf

（5）

速率：V=ωDcos（ωt）=ωDsin（ωt+π）

（6）

加速度：A=ω2D sin（ωt+π）

（7）

A的峰值：Ap=ω2D=（2πf）2D

（8）

頻率響應分析用于分析結構在簡諧載荷作用下響應，常見的簡諧載荷如車輛、旋轉機構和機械系統的HVH分析。頻率響應分析的載荷為正弦激勵，在頻率域中定義。頻率響應分析的結果主要是力、位移、速度、加速度、應力和應變。

頂部板箱體頻率響應分析計算后的應力結果云圖，如圖5所示，最大應力在肋板上，為144.9MPa，如圖6所示，距離肋板材料6061-T6鋁的屈服強度248MPa還有很大的余量，計算結果滿足強度要求。

四、頂部板箱體優化設計

（一）HyperStudy的優化設計流程

傳統的優化設計辦法是重復設計法，首先，根據類似產品的已有設計經驗，加上設計者的感覺判斷，制訂出產品初步設計方案，然后進行產品的剛強度計算，結構設計人員通過對計算結果進行分析，確定具有余量的設計參數，通過調整設計參數的取值來修改設計方案，再進行計算分析，并多次重復上述計算和修改的過程，直到優化目標接近個人感覺的最優值為止。這種傳統的優化設計方法在執行過程中會有很多問題，使設計過程變得冗長，效率很低，最終確定的最優方案并非使目標值變得最優。

HyperStudy是多學科的設計探索、研究以及優化軟件。通過使用實驗設計（DOE）、優化計算（OPT）、擬合模型（FIT）、隨機研究（STO），幫 助用戶理解數據趨勢、權衡設計、優化設計性能以及魯棒性，根據每一次的計算結果，自動修改設計變量，并重新分析計算，如此循環多次，最終根據優化目標，得到滿足約束條件的最優設計變量[7]。HyperStudy的優化流程如圖7所示：

（二）設計變量與優化目標

由于頂部板箱體的主要零件均是薄壁零件，箱體的總重量主要取決于零件的厚度，因此選取各主要零件的厚度作為設計變量[8]，設計變量的取值范圍如表2所示。

基于頂部板箱體上安裝的所有控制面板都是與各個結構件緊挨在一起，為了保證控制面板不受影響，需要對各主要結構件的位移變化量做出嚴格的限制，故本文以頂部板箱體各主要零件在整個頻域上最大位移不超過0.2mm作為約束條件。

頂部板箱體優化設計的目標就是在滿足約束條件的基礎上，使頂部板箱體結構件重量最小。

（三）優化求解

全局自適應響應面法（GRSM）的工作流程為：隨機抽樣選擇K個變量x1，x2…Xk，每個變量取n個不同的值。在等概率的基礎上，每一個隨機變量被分割成n個不重疊的間隔，每一個間隔的取值是隨機的，在隨機狀態下，xl的n個值與x2的n個值是成對的，這n對值與x3的n個值結合成n組3個一組，—次類推形成n組k個一組。在內部建立一個響應面，并根據新的點適應性地更新這個響應。根據設計變量擬合，使用二階多項式擬合目標和約束函數。響應面多項式參數由最小二乘法擬合先前設計點的方程確定，直到優化迭代已經收斂，則停止求解。

基于前面確定設計變量、約束條件和最優目標，建立相應的優化模型，采用GRSM算法迭代計算50次，生成一系列的求解模型，進而獲得最優解，如表3所示。

（四）優化后方案驗證

根據優化設計所得到的各主要零件最佳壁厚，對有限元模型中壁厚參數進行調整，并對改進后的頂部板箱體模型進行頻率響應分析。

通過與頂部板箱體的原始設計方案頻率響應分析結果進行對比，優化后有限元模型最大應力所處的區域位置并未發生變化，最大應力為100.2Mpa，如圖8所示。

通過表4的優化前后對比結果可以看出，優化后頂部板箱體在重量降低的同時最大應力也降低了30.8%，大幅提高了頂部板箱體的綜合性能，沒有因為輕量化設計而造成應力的增加。

結語

本文基于頂部板箱體的幾何模型，利用HyperMesh軟件進行網格劃分和添加邊界條件及載荷，得到了頂部板箱體的有限元模型，并開展頻率響應分析工作。運用HyperStudy軟件進行優化設計過程中，選擇頂部板箱體的主要零件厚度作為設計變量，應變的位移量作為約束條件，采用GRSM算法進行優化計算，頂部板箱體優化后的重量為，完成減重，在滿足剛強度要求的前提下，實現了減重0.5kg的目標，減少了設計余量，同時節約了開發成本[9]，為頂部板箱體的詳細設計提供了相關參考。

參考文獻

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