【軟件案例】拓撲優(yōu)化技術(shù)在飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2016-11-13  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

關(guān)鍵詞:飛機 結(jié)構(gòu) 吊掛 拓撲優(yōu)化

長期以來,飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計依靠傳統(tǒng)設(shè)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(shè)計周期,只能通過 減少設(shè)計迭代次數(shù)來實現(xiàn),而結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)為實現(xiàn)這種理想設(shè)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(shè)計中采用先進拓撲優(yōu)化技術(shù),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(shè)計,結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻,減重 15-20%[1]。

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(shù),對飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,設(shè)計結(jié)果表明,該設(shè)計方法有效減少了設(shè)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。

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。

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)。

根據(jù)吊掛總體外形、發(fā)動機及機翼對接接口位置關(guān)系以及吊掛設(shè)計載荷等設(shè)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。

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(shè)計變量為單元密度,目標函數(shù)為 3 種 工況的加權(quán)應(yīng)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。

圖 3 吊掛結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型

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。

圖 4 垂向載荷工況下拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖 5 側(cè)向載荷工況下的拓撲優(yōu)化結(jié)果

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(yīng)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。

圖 7 復(fù)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。

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

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(shù)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(yīng)用將越來越多。

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