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        飛機進氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        2025-01-21 00:00:00梁嘉瑞王磊碩
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2025年1期
        關(guān)鍵詞:輕量化設(shè)計

        摘 要:本文使用有限元分析軟件對飛機進氣門結(jié)構(gòu)進行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化。首先,以進氣門的艙門結(jié)構(gòu)材料密度分布作為設(shè)計變量,以結(jié)構(gòu)剛度最大化為設(shè)計目標(biāo),求解結(jié)構(gòu)最佳傳力路線。其次,根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果建立艙門尺寸優(yōu)化模型,以結(jié)構(gòu)的加強筋和腹板厚度為設(shè)計變量,以結(jié)構(gòu)實際使用時產(chǎn)生的剛度不足等問題作為約束條件,對結(jié)構(gòu)進行剛度優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。結(jié)果表明,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求,剛度明顯提升,結(jié)構(gòu)質(zhì)量比原結(jié)構(gòu)減輕19.6%。

        關(guān)鍵詞:拓?fù)鋬?yōu)化;尺寸優(yōu)化;剛度優(yōu)化;輕量化設(shè)計

        中圖分類號:V 214 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本任務(wù)是在滿足強度、剛度、氣動彈性等力學(xué)性能要求的情況下,盡可能使飛機減重。飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計往往需要多次迭代優(yōu)化,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多依靠大量的經(jīng)驗積累,迭代效率較低。基于有限元理論開發(fā)的有限元分析軟件不斷成熟,軟件的優(yōu)化模塊也在航空領(lǐng)域獲得了多方面的應(yīng)用,例如對飛機進行剛度、強度、穩(wěn)定性優(yōu)化,以提升飛機安全性能[1-2],對飛機結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計,以減輕飛行阻力[3-4],對飛機的結(jié)構(gòu)形狀和布局進行優(yōu)化,以提供飛機總體設(shè)計思路等,使飛機研發(fā)周期縮短,飛機研制成本顯著降低。

        在以上應(yīng)用中,結(jié)構(gòu)的剛度優(yōu)化和輕量化是本文的重點關(guān)注對象。結(jié)構(gòu)受載時抵抗變形的能力稱為剛度,由于受載分為靜載荷和動載荷,因此剛度可隨載荷特點區(qū)分為靜剛度和動剛度。結(jié)構(gòu)靜剛度的改善可在分析計算時通過施加位移約束實現(xiàn)。動剛度與結(jié)構(gòu)固有頻率有關(guān),當(dāng)外部動載荷作用頻率接近結(jié)構(gòu)固有頻率時,可能會引起結(jié)構(gòu)的共振,此時結(jié)構(gòu)動剛度最小。因此,可在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中對結(jié)構(gòu)施加頻率約束,以改善動剛度性能。結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計可通過軟件將最小質(zhì)量或最小體積設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)來實現(xiàn)。

        1 進氣門結(jié)構(gòu)

        進氣門結(jié)構(gòu)由艙門、上擋板、下?lián)醢?、上轉(zhuǎn)接件、下轉(zhuǎn)接件、上轉(zhuǎn)接件支座、下轉(zhuǎn)接件支座、電動機構(gòu)轉(zhuǎn)接件組成,如圖1所示。工作時,由電機驅(qū)動電動機構(gòu)轉(zhuǎn)接件轉(zhuǎn)動,上、下轉(zhuǎn)接件作為從動機構(gòu)隨之轉(zhuǎn)動。現(xiàn)有的艙門結(jié)構(gòu)整體剛度不足,上擋板、下?lián)醢遄冃瘟枯^大,且在進氣時易產(chǎn)生較大振動。為改善這一問題,在已知總體外形參數(shù)和載荷工況的情況下,結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對進氣門結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化。

        2 設(shè)計要求

        2.1 載荷工況

        進氣門結(jié)構(gòu)載荷工況分為2種,分別為極限工況時28kPa的均布?xì)鈩虞d荷以及正常工作時8.7kPa的均布?xì)鈩虞d荷。氣動載荷主要作用于上擋板、下?lián)醢?、艙門,方向沿零件的外表面法線方向向外。

        2.2 材料選擇

        進氣門結(jié)構(gòu)所有材料均采用航空領(lǐng)域常用高強鋁合金7050-T7451,具有較高的強度、硬度和疲勞特性,符合進氣門區(qū)域的受力情況選材要求。

        2.3 設(shè)計約束

        在已知的載荷條件下,進氣門應(yīng)滿足的力學(xué)性能要求如下:115%限制載荷下,進氣門不產(chǎn)生永久性的塑性變形;100%極限載荷作用下,進氣門不破壞失效;進氣門結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的剛度特性。

        3 初步設(shè)計

        3.1 有限元建模

        如圖2所示,使用軟件中的網(wǎng)格劃分模塊對進氣門結(jié)構(gòu)進行有限元建模,使用優(yōu)化模塊對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化定義和計算。設(shè)定載荷為極限工況時的28kPa均布?xì)鈩虞d荷。

        3.2 拓?fù)鋬?yōu)化定義

        為尋找結(jié)構(gòu)最佳傳力路徑,對進氣門結(jié)構(gòu)進行初步拓?fù)鋬?yōu)化,將艙門劃分為優(yōu)化設(shè)計區(qū)域,其余結(jié)構(gòu)劃分為非優(yōu)化設(shè)計區(qū)域。將艙門的單元密度定義為設(shè)計變量,約束條件為上、下?lián)醢宕瓜蛭灰苵δy|≤50mm,艙門體積分?jǐn)?shù)lt;30%,目標(biāo)函數(shù)為艙門結(jié)構(gòu)剛度最大。設(shè)定30%為材料密度閾值,僅顯示材料密度大于30%的單元,優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

        3.3 結(jié)果分析

        由圖3可知,3個轉(zhuǎn)接件與艙門的連接處材料密度較大,且從連接處沿Y軸向兩側(cè)呈條帶狀擴散,說明轉(zhuǎn)接件處應(yīng)力水平較高,應(yīng)分配更多材料。此外,沿Y軸方向上轉(zhuǎn)接件與上擋板之間的區(qū)域材料分布比下轉(zhuǎn)接件與下?lián)醢逯g的多,上擋板距主動桿較遠(yuǎn),且上擋板因氣動特性與垂直于Z軸方向的驅(qū)動力作用面即電動機構(gòu)連接平面存在一定夾角,力臂較長。綜上所述,結(jié)構(gòu)傳力路徑較清晰,拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果合理。

        4 詳細(xì)設(shè)計

        4.1 尺寸優(yōu)化定義

        由于艙門沿厚度Z方向的尺寸較小,且圖3拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中主傳力路徑較清晰,因此將艙門加工方式選定為帶加強筋的整體機加件。在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中材料密度分布較多的區(qū)域均布置為加強筋,考慮進氣量的需求,將其余垂直于加強筋的區(qū)域布置為腹板。將腹板、加強筋沿兩者的交界處分割為多個區(qū)域,每個區(qū)域的厚度在尺寸優(yōu)化流程中定義為多個不同的設(shè)計變量。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果建立尺寸優(yōu)化模型,如圖4所示。本輪優(yōu)化中,設(shè)計變量為艙門結(jié)構(gòu)腹板厚度和加強筋厚度,約束條件為上、下?lián)醢?8kPa均布載荷時垂向位移|δy|≤50mm,8.7kPa均布載荷時|δy|≤14mm,單元最大應(yīng)力≤510MPa,結(jié)構(gòu)固有頻率≥50Hz,優(yōu)化目標(biāo)為設(shè)計區(qū)域體積最小,即質(zhì)量最輕。

        4.2 結(jié)果分析

        進氣門結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。在3個轉(zhuǎn)接件的連接處加強筋的厚度尺寸較大,且沿Y軸方向左側(cè)加強筋整體厚度水平高于右側(cè)加強筋,與3.3節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)論基本吻合,說明尺寸優(yōu)化結(jié)果合理,可按尺寸優(yōu)化結(jié)果進行建模分析。此外,電動轉(zhuǎn)接件連接區(qū)域加強筋厚度值高于上、下轉(zhuǎn)接件7mm左右,這是因為2次分析時目標(biāo)函數(shù)不同,即各階段的設(shè)計要求不同。初步拓?fù)鋬?yōu)化時以剛度最大為目標(biāo)函數(shù),目的是尋找結(jié)構(gòu)主傳力路徑,該階段無須關(guān)注質(zhì)量參數(shù),當(dāng)詳細(xì)設(shè)計時,尺寸優(yōu)化結(jié)果給出了結(jié)構(gòu)各截面的厚度參數(shù),可以作為零件的設(shè)計依據(jù),也可以由結(jié)果估算零件的質(zhì)量,因此需要在優(yōu)化時預(yù)先對零件質(zhì)量施加限制,即以質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)。綜上,兩級優(yōu)化的結(jié)合可使零件滿足實際工程需求。

        4.3 強度設(shè)計校核

        優(yōu)化后的進氣門結(jié)構(gòu)在極限載荷和115%限制載荷作用下的綜合應(yīng)力云圖如圖6所示。圖6(a)極限載荷時結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為446.3MPa,未超過材料強度極限510MPa;圖6(b)115%限制載荷作用下最大應(yīng)力為382.5MPa,未超過材料屈服極限440MPa。因此,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計要求。此外,應(yīng)力云圖中最大載荷點位于電動機構(gòu)轉(zhuǎn)接件、上、下?lián)醢迮c艙門腹板的連接處,可對附近材料進行適當(dāng)增厚處理或增加倒圓角值,提升結(jié)構(gòu)的安全裕度。

        4.4 剛度設(shè)計校核

        4.4.1 靜剛度

        本文重點關(guān)注X方向和Y方向的靜剛度,如果X、Y方向位移過大,有艙門與機體門框結(jié)構(gòu)的干涉的可能,從而影響艙門的閉合,威脅飛行安全。在極限載荷和工作載荷下,艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后X和Y方向的最大位移值見表1。由表1可知,除極限載荷時優(yōu)化前、后X方向最大位移值基本不變以外,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大位移值明顯降低,說明艙門結(jié)構(gòu)的剛度性能有明顯改善。

        4.4.2 動剛度

        進氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后前三階固有頻率見表2。由表2可知,經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)頻率均高于優(yōu)化前結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)動剛度性能得到了改善。

        4.5 工程化設(shè)計

        在兩級優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合零件制造、裝配的工藝性要求,對艙門工程化設(shè)計建模,結(jié)果如圖7所示。用加強筋將艙門劃分為不同區(qū)域的凹槽,加強筋的寬度以及凹槽的腹板厚度根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果來確定;艙門加強筋方向均平行于Z軸方向,方便銑刀對零件進行銑切;為減少應(yīng)力集中,提高零件的抗疲勞性能,統(tǒng)一設(shè)定轉(zhuǎn)角和底角分別為R6mm和R3mm;考慮零件的裝配需求,零件與轉(zhuǎn)接件零件、與機身邊框連接處的外形參數(shù)、尺寸參數(shù)、緊固件連接的開孔尺寸均與原結(jié)構(gòu)相同。優(yōu)化后的零件質(zhì)量為2.071kg,比優(yōu)化前的零件減重0.506kg,減輕19.6%。

        5 結(jié)語

        綜上所述,本文得出以下結(jié)論。1)拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化結(jié)合是一種有效、便捷的飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,可將產(chǎn)品應(yīng)用時的實際工程問題轉(zhuǎn)化為分析軟件中的約束條件和目標(biāo)函數(shù),使結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計指標(biāo)。2)應(yīng)在優(yōu)化模塊中加入制造工藝約束,提升零件的制造工藝可行性。3)經(jīng)兩級優(yōu)化、工程化設(shè)計后的零件還應(yīng)進行一系列試驗驗證工作。

        參考文獻(xiàn)

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        [2]孟亮,楊金沅,楊智威,等.典型飛機壁板結(jié)構(gòu)的抗屈曲優(yōu)化設(shè)計與試驗驗證[J].航空學(xué)報,2024,45(5):373-384.

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        [4]牛西茜,李昕瑩,李佩澤.基于變密度法的飛機襟翼拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J].兵器裝備工程學(xué)報,2024,45(3):101-106.

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