【論文】拓撲優化技術在飛機發動機吊掛結構設計中的應用

2016-11-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

拓撲優化技術在飛機發動機吊掛結構設計中的應用

Application of Topology Optimization Technology in Aircraft Engine Pylon Design

寇延清孟兆康朱勝利
(中航工業一飛院西安 710089)

摘要:為了滿足飛機結構設計周期短、重量指標要求高的問題,在飛機發動機吊掛設計過程中, 利用拓撲優化技術對該結構進行優化設計。在結構設計過程中利用拓撲優化得到一種傳力直接,重量較輕的結構形式。最終優化結果表明,采用拓撲優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,實現飛機結構減重。

關鍵詞:飛機結構吊掛拓撲優化

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,飛機結構設計依靠傳統設計經驗以及各種試驗數據的累積,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,節約寶貴的設計周期,只能通過減少設計迭代次數來實現,而結構優化技術為實現這種理想設計提供了可能。據國外資料報道,空客公司空客 A350 飛機后機身整體結構初始設計中采用先進拓撲優化技術,獲得了鮮明的主要傳載結構,考慮所有工況得到新的設計,結構應力均勻,減重 15-20%[1]。

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圖 1 空客 A350 飛機后機身整體結構拓撲優化

本文利用拓撲優化技術,對飛機發動機吊掛結構進行了優化設計,設計結果表明,該設計方法
有效減少了設計迭代次數,節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 發動機吊掛結構簡介

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

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圖 2 民用運輸機發動機吊掛結構

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

3 拓撲優化設計

根據吊掛總體外形、發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,建立了吊掛結構方案拓撲優化模型(圖 3),利用 OptiStruct 拓撲優化算法,得到一種傳力路徑直接的結構布局形式。

3.1 拓撲優化模型建立

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

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圖 3 吊掛結構拓撲優化模型

3.2 拓撲優化結果分析

對 3 種載荷工況分別進行拓撲優化,得到的三種拓撲優化結果見圖 4 至圖 6。

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圖 4 垂向載荷工況下拓撲優化結果

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圖 5 側向載荷工況下的拓撲優化結果

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圖 6 航向載荷工況下拓撲優化結果

根據圖 4 至圖 6 可以看出,側向載荷工況下的拓撲優化結果與其他工況下拓撲優化結果差別較大,這是由于該載荷工況主要以扭矩和側向力為主,扭矩由吊掛主接頭平衡,側向力由側向接頭平衡,吊掛前撐桿、后撐桿承受沿桿方向的載荷,無法承受扭矩及側向力。其余載荷工況下吊掛結構的拓撲優化結果比較相似,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構。

對 3 種載荷工況進行拓撲優化,目標函數取 3 種工況的加權應變能,優化結果見圖 7。從圖 7

可以看出,該結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 復合工況下拓撲優化結果該模型一共經歷了 40 步優化迭代,目標函數迭代曲線如圖 8 所示。

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圖 8 吊掛結構拓撲優化目標函數迭代過程

5 結論

本文利用 HyperMesh 對飛機發動機吊掛結構進行了結構前處理,利用 OptiStruct 進行了拓撲優化。綜合多種載荷工況得到的拓撲優化結果清晰地反映出結構受載特點和主傳力路徑。拓撲優化得到的整體結構與傳統組合結構相比,結構受載更均勻,減重效果明顯,隨著“3D 打印”等先進整體件制造技術的發展,未來飛機結構中采用拓撲優化得到的整體結構應用將越來越多。

6 參考文獻

[1] Altair-驅動航空結構優化設計,2008 年 Altair 學術年會論文集.

[2] 張勝蘭,鄭冬黎,等.基于 HyperWorks 的結構優化設計技術[M].機械工業出版社,2007. [3] 李楚琳,張勝蘭,等.HyperWorks 分析應用實例[M].機械工業出版社,2008.

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