基于HYPERWORKS的水密框腹板结构优化

贾伟

摘要：为降低结构重量，提高结构效率，本文以某型水上飞机的水密框为对象，综合强度、稳定性、加工等方面的要求，对腹板尺寸进行优化，以达到减重的目的。基于Altair公司的Hyperworks平臺，建立有限元模型，运用Optistruct对腹板尺寸优化，形成更优的结构设计方案，达到水密框腹板在保证功能的前提下重量较轻的目的。

关键词：水上飞机；水密框；结构优化；减重

1 概述

某型水上飞机的水密框带有舱门结构，且需考虑水密的功能要求，在设计之初，仅考虑腹板使用一体化机加的方案，受限于机加工艺设备能力，结构裕度较大，存在明显的减重空间。本文通过Hyperworks软件，在腹板结构尺寸满足稳定性计算的要求下，通过有限元分析计算，将结构中腹板和立筋的厚度优化，达到结构减重的目的。

2 结构简介

水密框是机加和钣金组合框，框腹板上的横纵筋条对腹板提供支撑。在框腹板中间布置有开口，用于安装通舱门。在框的顶部的接头，与背鳍连接，传递背鳍接头的载荷。在外框缘与蒙皮的连接。结构示意如图1所示。

由于水密特性，水密框采用抗腐蚀性能较好的7050-T7454的铝合金材料，该材料的压缩弹性模量值为73.08MPa，剪切模量值为26.89MPa，泊松比值为0.33，材料密度值为2870kg/m3。

3 水密框有限元分析

水密框，除能够维持外形并提供足够的横向刚度外，主要用来承受集中载荷、飞机底部传来的载荷；同时还承受蒙皮对外框缘的剪流。由于承受集中力，在框平面内存在弯矩，剪力以及轴力。在此将腹板简化为壳元。

由于在严重工况下，腹板主要承受剪切载荷，立筋受压缩载荷，通过剪切的稳定性计算、立筋的稳定性计算得出，现有设计下的框腹板剪切安全裕度较大（1.206），可通过减小厚度值实现减重的目的。

4 水密框腹板尺寸优化

本文运用Hyperworks软件，首先利用Optistruct的优化设计功能，对腹板质量分布进行优化，在质量分布小的区域调整立筋的布置；再利用Optistruct的尺寸优化设计方法对腹板及立筋的厚度值进行优化，最终实现减重的目的。

腹板及立筋的尺寸优化问题描述：设计目标：最小结构重量；设计约束：腹板剪切应力小于67.1MPa；立筋压缩应力小于169.88MPa。尺寸优化设计变量：腹板每个壳单元厚度。

结构优化前，可由腹板的静力分析模块得到如图2所示的应力云图，可以清晰的反应腹板承载的情况，腹板在接头下方区域的受力最为明显。

运用Optistruct得到腹板结构优化效果图，形象的反应了腹板结构优化后的厚度分布。水密框在优化前重量为45.75kg，优化后为37.73kg，在满足强度和稳定性要求的情况下，重量减轻了18%，实现了最初减重的目的。

参考文献

[1]王宝忠等.飞机设计手册第十册[M].航空工业出版社.2000

[2]牛春匀（美）著.冯振宇，程小全译，实用飞机结构应力分析及尺寸设计[M].北京：航空工业出版社，2009.

（作者单位：中航通飞研究院有限公司）