【論文】拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期短、重量指標(biāo)要求高的問(wèn)題,在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛設(shè)計(jì)過(guò)程中, 利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中利用拓?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化技術(shù)能夠大大減少設(shè)計(jì)周期,并且在滿足設(shè) 計(jì)要求的前提下,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重。

關(guān)鍵詞:飛機(jī) 結(jié)構(gòu) 吊掛拓?fù)鋬?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(zhǎng)期以來(lái),飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的累積,研制周期長(zhǎng)、成本高, 無(wú)法滿足客戶對(duì)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(jì)周期,只能通過(guò) 減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),而結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這種理想設(shè)計(jì)提供了可能。據(jù)國(guó)外資料報(bào)道,空客公司空客 A350 飛機(jī)后機(jī)身整體結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)拓?fù)鋬?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(jì),結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻,減重 15-20%[1]。

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圖 1 空客 A350 飛機(jī)后機(jī)身整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

本文利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)方法
有效減少了設(shè)計(jì)迭代次數(shù),節(jié)省了研制周期及成本,能夠滿足客戶對(duì)研制周期及成本控制的要求。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

翼吊飛機(jī)布局發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)吊掛固定在機(jī)翼下方,發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛一般為盒形梁式結(jié)構(gòu),將發(fā)動(dòng)機(jī)所有推力及慣性載荷傳遞至機(jī)翼,民用運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)典型吊掛結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2 所示。

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圖 2 民用運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)通過(guò)吊掛前肋、后肋連接,吊掛與機(jī)翼通過(guò)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?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)吊掛總體外形、發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)翼對(duì)接接口位置關(guān)系以及吊掛設(shè)計(jì)載荷等設(shè)計(jì)輸入,建立了吊掛結(jié)構(gòu)方案拓?fù)鋬?yōu)化模型(圖 3),利用 OptiStruct 拓?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化模型建立

該模型選取了 3 種最嚴(yán)重載荷工況進(jìn)行計(jì)算,拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量為單元密度,目標(biāo)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?fù)鋬?yōu)化模型見(jiàn)圖 3,從圖中可以看出,載荷通過(guò) RBE2 剛性單元施加在發(fā)動(dòng)機(jī)重心上,該模型共有 134506 個(gè)節(jié)點(diǎn),121258 個(gè)實(shí)體單元。

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圖 3 吊掛結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

對(duì) 3 種載荷工況分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,得到的三種拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖 4 至圖 6。

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圖 4 垂向載荷工況下拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

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圖 5 側(cè)向載荷工況下的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

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圖 6 航向載荷工況下拓?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化結(jié)果與其他工況下拓?fù)鋬?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(wú)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?fù)鋬?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(gè)交點(diǎn),吊掛盒段變成一種桁架式結(jié)構(gòu)。

對(duì) 3 種載荷工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,目標(biāo)函數(shù)取 3 種工況的加權(quán)應(yīng)變能,優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)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(diǎn),擁有多條傳力路徑。

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圖 7 復(fù)合工況下拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果該模型一共經(jīng)歷了 40 步優(yōu)化迭代,目標(biāo)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?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)迭代過(guò)程

5 結(jié)論

本文利用 HyperMesh 對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)前處理,利用 OptiStruct 進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu) 化。綜合多種載荷工況得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果清晰地反映出結(jié)構(gòu)受載特點(diǎn)和主傳力路徑。拓?fù)鋬?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(jìn)整體件制造技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中采用拓?fù)鋬?yōu)化得到的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用將越來(lái)越多。

6 參考文獻(xiàn)

[1] Altair-驅(qū)動(dòng)航空結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),2008 年 Altair 學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.

[2] 張勝蘭,鄭冬黎,等.基于 HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007. [3] 李楚琳,張勝蘭,等.HyperWorks 分析應(yīng)用實(shí)例[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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