基于HyperWorks的典型接头优化设计

吴昊

【摘 要】民用飞机中接头是典型的支撑结构件，在满足设计耳片有效性的前提下，接头的腹板，筋条等细节特征要素的位置分布及几何尺寸对接头的性能具有直接的影响，往往这类细节特征难以在设计初期考虑到位。本文通过基于HyperWorks对典型接头进行优化设计的结果，验证对实际接头设计具有重要的指导及参考意义。

【关键词】接头；拓扑；设计

0 引言

在民用飞机固定后缘结构中，接头是典型常见的受力部件或元件之间的连接结构。常用于与扰流板之间连接。在飞机接头设计中接头可以与构件设计成整体结构件，也可设计成单独的零件与结构件连接。在满足设计接头耳片有效性的前提下，接头的腹板、筋条、缘条、倒角的等细节特征在设计初期难以考虑，但这些细节特征却对接头的性能有重大的影响。所以在接头设计初期基于HyperWorks在接头设计空间中得到接头的细节特征大致的位置分布及几何尺寸从而对后期的接头详细设计提供重要指导或参考意义。

1 预期目标

在给定的设计空间中获得接头最优的材料分布包括缘条、筋条的位置、走向和形状，同时确定腹板最佳厚度。从而满足重量、缘条截面积、腹板厚度、静强度、总体刚度、尺寸约束、截面刚度、稳定性等要求。

2 优化设计方法

接头设计初期为概念设计阶段主要分为三种类型：拓扑优化、形貌优化及自由尺寸优化。接头设计后期则为详细设计阶段主要包括三种类型：尺寸优化、形状优化及自由形状优化。

优化设计包含三个要素为，设计变量，目标函数及约束条件。通过数学模型可以表达为：

式中U为形变能量（设计目标）；Wa为对外做工（约束条件）；Fi作用力（设计变量）；Wi作用工（约束条件）。

通常而言，设计优化的流程图如图1所示：

3 结果对比

本文中选取材料的属性及支架设计空间几何尺寸如表1及图2所示：

接头设计空间的有限元模型如图3所示：

基于对该接头的设计空间设置载荷工况及贴合面的约束，设计目标为重量最小化及在加载情况的最小位置。载荷工况如表2所示，贴合面约束情况如上图3所示：

基于不同的载荷工况，以及不同的约束条件，被优化的接头的形式也有所不同。同时，对于重量的要求不同，接头结构形式也随之改变。由于优化不包含工艺性考虑，一部分优化结果无法实现。图4选取了同种工况但约束不同的接头优化结果。

4 结论

本文通过上述有限元模型及拓扑计算对典型接头进行了优化设计，验证了通过采用HyperWorks对典型接头设计的可行性。同时表明在不同工况及HyperWorks软件内的参数的设定下，对设计空间中接头的结构布局有较大的影响，比如筋条的位置尺寸和腹板厚度等。基于HyperWoks的接头优化设计结果再进行深度迭代计算优化可对后期接头的详细设计具有重要指导及参考作用。

【参考文献】

[1]Nima B. et al.. A New Approach for Sizing， Shape and Topology Optimization. SAE International Congress and Exposition Technical paper，1996[Z].

[2]Richard. GPR Horn Mounting Configuration [Diagram] In： Richard， Ground Penetrating Radar Bracket Requirements， Europe： EADS，2010[Z].

[责任编辑：汤静]