【論文】拓撲優(yōu)化技術在飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)設計中的應用

2016-11-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

拓撲優(yōu)化技術在飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)設計中的應用

Application of Topology Optimization Technology in Aircraft Engine Pylon Design

寇延清孟兆康朱勝利
(中航工業(yè)一飛院西安 710089)

摘要:為了滿足飛機結(jié)構(gòu)設計周期短、重量指標要求高的問題,在飛機發(fā)動機吊掛設計過程中, 利用拓撲優(yōu)化技術對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。在結(jié)構(gòu)設計過程中利用拓撲優(yōu)化得到一種傳力直接,重量較輕的結(jié)構(gòu)形式。最終優(yōu)化結(jié)果表明,采用拓撲優(yōu)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(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)減重。

關鍵詞:飛機結(jié)構(gòu) 吊掛拓撲優(yōu)化

Abstract:In order to meet the short aircraft structure design cycle, weight indicator demanding questions. This paper use topology optimization to optimize the structure in the design process of aircraft engine pylon. In the design process, topology optimization is used for getting a direct force transmission, lightweight structure. The final optimization result shows that using topology optimization technology can significantly reduce the design cycle, and also can reduce the aircraft structure weight in the premise to meet the design requirements.

Key words: Aircraft, Structure, Pylon, Topology Optimization

1 概述

長期以來,飛機結(jié)構(gòu)設計依靠傳統(tǒng)設計經(jīng)驗以及各種試驗數(shù)據(jù)的累積,研制周期長、成本高, 無法滿足客戶對研制周期及成本控制的要求。為了降低研制成本,節(jié)約寶貴的設計周期,只能通過減少設計迭代次數(shù)來實現(xiàn),而結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術為實現(xiàn)這種理想設計提供了可能。據(jù)國外資料報道,空客公司空客 A350 飛機后機身整體結(jié)構(gòu)初始設計中采用先進拓撲優(yōu)化技術,獲得了鮮明的主要傳載結(jié)構(gòu),考慮所有工況得到新的設計,結(jié)構(gòu)應力均勻,減重 15-20%[1]。

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圖 1 空客 A350 飛機后機身整體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

本文利用拓撲優(yōu)化技術,對飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計,設計結(jié)果表明,該設計方法
有效減少了設計迭代次數(shù),節(jié)省了研制周期及成本,能夠滿足客戶對研制周期及成本控制的要求。

2 發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)簡介

翼吊飛機布局發(fā)動機通過吊掛固定在機翼下方,發(fā)動機吊掛一般為盒形梁式結(jié)構(gòu),將發(fā)動機所有推力及慣性載荷傳遞至機翼,民用運輸機發(fā)動機典型吊掛結(jié)構(gòu)見圖 2 所示。

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圖 2 民用運輸機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)

吊掛盒段結(jié)構(gòu)為吊掛主承力結(jié)構(gòu),一般多采用為梁式薄蒙皮結(jié)構(gòu),梁緣條承受彎矩,梁腹板、側(cè)壁蒙皮承受剪力。吊掛與發(fā)動機通過吊掛前肋、后肋連接,吊掛與機翼通過吊掛前撐桿、主接頭、側(cè)向接頭以及后撐桿連接,為超靜定連接結(jié)構(gòu)。

3 拓撲優(yōu)化設計

根據(jù)吊掛總體外形、發(fā)動機及機翼對接接口位置關系以及吊掛設計載荷等設計輸入,建立了吊掛結(jié)構(gòu)方案拓撲優(yōu)化模型(圖 3),利用 OptiStruct 拓撲優(yōu)化算法,得到一種傳力路徑直接的結(jié)構(gòu)布局形式。

3.1 拓撲優(yōu)化模型建立

該模型選取了 3 種最嚴重載荷工況進行計算,拓撲優(yōu)化設計變量為單元密度,目標函數(shù)為 3 種工況的加權(quán)應變能最小,約束條件為體積比 0.3,利用 HyperMesh 建立的拓撲優(yōu)化模型見圖 3,從圖中可以看出,載荷通過 RBE2 剛性單元施加在發(fā)動機重心上,該模型共有 134506 個節(jié)點,121258 個實體單元。

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圖 3 吊掛結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型

3.2 拓撲優(yōu)化結(jié)果分析

對 3 種載荷工況分別進行拓撲優(yōu)化,得到的三種拓撲優(yōu)化結(jié)果見圖 4 至圖 6。

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圖 4 垂向載荷工況下拓撲優(yōu)化結(jié)果

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圖 5 側(cè)向載荷工況下的拓撲優(yōu)化結(jié)果

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圖 6 航向載荷工況下拓撲優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)圖 4 至圖 6 可以看出,側(cè)向載荷工況下的拓撲優(yōu)化結(jié)果與其他工況下拓撲優(yōu)化結(jié)果差別較大,這是由于該載荷工況主要以扭矩和側(cè)向力為主,扭矩由吊掛主接頭平衡,側(cè)向力由側(cè)向接頭平衡,吊掛前撐桿、后撐桿承受沿桿方向的載荷,無法承受扭矩及側(cè)向力。其余載荷工況下吊掛結(jié)構(gòu) 的拓撲優(yōu)化結(jié)果比較相似,吊掛前撐桿變成一根二力桿,吊掛后撐桿變成兩根二力桿在吊掛后接頭處合并成一個交點,吊掛盒段變成一種桁架式結(jié)構(gòu)。

對 3 種載荷工況進行拓撲優(yōu)化,目標函數(shù)取 3 種工況的加權(quán)應變能,優(yōu)化結(jié)果見圖 7。從圖 7

可以看出,該結(jié)果綜合了多種工況的傳力特點,擁有多條傳力路徑。

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圖 7 復合工況下拓撲優(yōu)化結(jié)果該模型一共經(jīng)歷了 40 步優(yōu)化迭代,目標函數(shù)迭代曲線如圖 8 所示。

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圖 8 吊掛結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化目標函數(shù)迭代過程

5 結(jié)論

本文利用 HyperMesh 對飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)前處理,利用 OptiStruct 進行了拓撲優(yōu) 化。綜合多種載荷工況得到的拓撲優(yōu)化結(jié)果清晰地反映出結(jié)構(gòu)受載特點和主傳力路徑。拓撲優(yōu)化得到的整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)受載更均勻,減重效果明顯,隨著“3D 打印”等先進整體件制造技術的發(fā)展,未來飛機結(jié)構(gòu)中采用拓撲優(yōu)化得到的整體結(jié)構(gòu)應用將越來越多。

6 參考文獻

[1] Altair-驅(qū)動航空結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,2008 年 Altair 學術年會論文集.

[2] 張勝蘭,鄭冬黎,等.基于 HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術[M].機械工業(yè)出版社,2007. [3] 李楚琳,張勝蘭,等.HyperWorks 分析應用實例[M].機械工業(yè)出版社,2008.

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