邢本東 王福雨 王向明

摘要：針對(duì)采用經(jīng)典的“緣條-腹板-筋條”板桿結(jié)構(gòu)形式的某型飛機(jī)艙門(mén)搖臂結(jié)構(gòu)在耳片連接區(qū)應(yīng)力水平較低、存在較大減重設(shè)計(jì)空間的問(wèn)題，對(duì)艙門(mén)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足等剛度設(shè)計(jì)約束條件下，以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)搖臂結(jié)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明：與原艙門(mén)搖臂結(jié)構(gòu)相比，拓?fù)鋬?yōu)化后的新型搖臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小19.5%，減重效果顯著。

關(guān)鍵詞：艙門(mén)搖臂；耳片連接區(qū)；拓?fù)鋬?yōu)化；等剛度設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：V223.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-3]中，結(jié)構(gòu)工程師主要依靠以往的工程經(jīng)驗(yàn)確定零部件的結(jié)構(gòu)形式，完成概念設(shè)計(jì)，然后由強(qiáng)度工程師進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，反復(fù)迭代后完成零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。通常，受研制周期的限制，結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式往往不是最優(yōu)的，存在一定的減重空間。飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制是保證飛機(jī)綜合性能的必要前提，關(guān)乎飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以幫助結(jié)構(gòu)工程師依據(jù)結(jié)構(gòu)受載工況，找到最優(yōu)的傳載路徑，以拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果為參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的初始構(gòu)型，完成結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。

本文以某型飛機(jī)艙門(mén)搖臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹采用拓?fù)鋬?yōu)化軟件solidThinking Inspire進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。

1 拓?fù)鋬?yōu)化簡(jiǎn)介

拓?fù)鋬?yōu)化即尋求結(jié)構(gòu)的某種材料布局（有無(wú)孔洞及孔洞位置和數(shù)量等），使其能夠在滿(mǎn)足一定約束的條件下，性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。[4-6]在拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題中，以設(shè)計(jì)域中每個(gè)點(diǎn)的材料特征（有/無(wú)）為設(shè)計(jì)變量，采用優(yōu)化算法，在滿(mǎn)足約束的條件下，尋求材料在設(shè)計(jì)域內(nèi)的最優(yōu)分布。根據(jù)材料在設(shè)計(jì)域內(nèi)有或無(wú)，可確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问?，同時(shí)可給出大致的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸特征。

變密度法是連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化[7]的常用方法：假定優(yōu)化域內(nèi)的材料密度可變，以材料的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)特定的插值模型，如SIMP，建立材料相對(duì)密度與材料性能（如許用應(yīng)力、彈性模量）之間的關(guān)系。SIMP模型建立的單元密度與彈性模量之間的插值關(guān)系為

優(yōu)化問(wèn)題多以結(jié)構(gòu)剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)。在實(shí)際計(jì)算中，通常以結(jié)構(gòu)柔順性最小代替剛度最大作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)?；赟IMP模型，以單元密度為設(shè)計(jì)變量，給定體積約束的柔順性最小優(yōu)化問(wèn)題[8]可表示為

2 艙門(mén)搖臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 問(wèn)題描述

某型飛機(jī)艙門(mén)搖臂結(jié)構(gòu)采用經(jīng)典的“緣條-腹板-筋條”板桿結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。此結(jié)構(gòu)在耳片連接區(qū)應(yīng)力水平較低，存在一定減重空間。搖臂結(jié)構(gòu)采用TA15鈦合金材料，原質(zhì)量為2.35 kg，在設(shè)計(jì)載荷下最大變形量為7.94 mm，優(yōu)化設(shè)計(jì)目的是在不降低結(jié)構(gòu)剛度的前提下，減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

2.2 設(shè)計(jì)載荷與邊界條件

搖臂結(jié)構(gòu)在耳片處通過(guò)銷(xiāo)釘與作動(dòng)器連接，等于在耳片處施加簡(jiǎn)支約束。設(shè)計(jì)載荷為24 611 N，載荷作用點(diǎn)見(jiàn)圖2。

2.3 優(yōu)化過(guò)程

定義搖臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域，在不改變搖臂與其他結(jié)構(gòu)連接關(guān)系的前提下，給出搖臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，耳片及其與前端結(jié)構(gòu)連接的上下緣條為非設(shè)計(jì)域，見(jiàn)圖3。

以剛度最大為目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖4。將優(yōu)化結(jié)果以STL格式導(dǎo)入到CATIA中進(jìn)行模型重建，在solidThinking Inspire靜力分析模塊中進(jìn)行靜強(qiáng)度分析計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正。優(yōu)化完成后的搖臂結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

3 結(jié)果分析

搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化前初始構(gòu)型與優(yōu)化后創(chuàng)新構(gòu)型

的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在搖臂最大曲率處。在結(jié)構(gòu)剛度相同的情況下，優(yōu)化后質(zhì)量減小0.46 kg，減重19.5%，最大應(yīng)力提高30 MPa，但應(yīng)力在材料設(shè)計(jì)許用值范圍內(nèi)。優(yōu)化前、后搖臂位移對(duì)比見(jiàn)圖6，應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖7。

4 結(jié) 論

基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，以某型飛機(jī)艙門(mén)搖臂結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對(duì)象，進(jìn)行等剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的搖臂結(jié)構(gòu)構(gòu)型按照載荷傳遞路徑布置材料的雙腹板梁結(jié)構(gòu)，減重效果顯著，說(shuō)明拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯 武曉英）