基于OptiStruct的飞机悬挂接头结构优化设计

彭世冲

摘 要 为了满足飞机结构设计周期短、重量指标要求高的问题，在某飞机悬挂接头设计过程中，基于HyperMesh对其进行有限元建模。利用OptiStruct拓扑优化技术对该结构进行優化设计。通过优化得到了一种传力直接，重量较轻，材料分布合理的悬挂结构设计形式。另外，优化结果也表明，采用拓扑优化技术能够大大减少设计周期，并且在满足设计要求的前提下，实现飞机结构减重。

关键词 悬挂接头;OptiStruct;结构拓扑优化;轻量化技术

引言

轻量化设计在飞机结构设计中起着重要的应用。长期以来，飞机结构设计依靠传统设计经验以及各种试验数据的累积，不断通过设计迭代次数来实现，研制周期长、成本高，不易满足客户对研制周期及成本控制的要求。结构拓扑优化技术为实现这种设计提供了可能。

本文基于OptiStruct拓扑优化技术，对某飞机悬挂结构进行有限元模型构建，计算严重工况，拓扑优化计算。合理分布结构材料，降低结构应力水平，减小结构的位移变形，提高了结构的强度性能。通过分析验证确定更加合理的结构形式。结果表明该设计方法有效减少有效了设计迭代次数，节省了研制周期及成本。

1 有限元模型

以副翼悬挂接头设计为例，此悬挂接头是用于连接机翼后梁与副翼的连接件，其一端固接于后梁伸出支臂，一端通过轴连接副翼。副翼需在一定角度范围内上下摆动，并要限制横向移动，故耳片上用轴承与副翼连接，见图1。为了确保得到精确的计算结果，在建立计算模型时仔细考虑了外载荷、边界约束、网格划分等各因素。加载情况是整个飞机承载中进行局部载荷简化得到的。基于HyperMesh软件对悬挂接头进行有限元建模（约15600个体网格单元），包括可设计区域（紫色）和不 可设计区域（黄色、蓝色）如图2示。

施加边界条件和载荷：约束见图2所示。工况1：承受载荷施加点处Z向的集中载荷5000N。工况2：承受载荷施加点处y向的集中载荷1000N。

设置材料特性及定义单元属性：材料铝合金7050-T7451。材料密度：2.83g/cm3;泊松比：0.33;拉伸强度：524MPa;屈服强度：469MPa;疲劳强度：71MPa。

构成悬挂结构优化设计的数学模型包括目标函数、约束条件和设计变量[1]。在飞机悬挂接头结构优化的过程中，优化结构不仅满足所有载荷工况的约束要求且重量较轻，刚度满足要求。拓扑优化设计变量为单元密度，目标函数为2种工况的加权应变能最小，约束条件为体积比小于0.4。

2 优化结果分析

经过多次迭代收敛，得到优化结果。各性能参数变化结果见下图。

从应力云图3清晰地看到优化材料分布及载荷传递路径，形象地反映了悬挂接头在受到复合工况集中载荷后的变化。该模型一共经历了21步优化迭代。悬挂接头变成一种桁架式结构。综合了多种工况的传力特点。满足强度和刚度性能要求，应力的分布有明显的改善，承载能力得到了更加充分利用。另外为了验证计算的准确性，对悬挂接头结构最大应力进行工程计算验证[2]。在准确度认可范围内，认为计算合理。

3 结束语

本文利用OptiStruct对某飞机悬挂接头进行了拓扑优化，得到的拓扑优化结果反映了悬挂接头结构受载特点和主传力路径。拓扑优化得到的整体结构与传统组合结构相比，结构受载更均匀，实现了结构轻量化设计，且优化减重效果明显，结构减重近209g，占原设计总重的19.2%。为以后的结构优化设计提供基础。随着增材技术等先进整体件制造技术的发展，未来飞机结构中采用拓扑优化得到的整体结构应用将越来越多。

参考文献

[1] 张胜兰，郑冬黎.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2007：98.

[2] 牛春匀（美）.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，2009：77.