飛機(jī)舵面懸掛支架優(yōu)化設(shè)計(jì)探索

（中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

摘 "要：本文初步探索了在飛機(jī)舵面懸掛支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用Optistruct優(yōu)化軟件中的拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化功能，可以快速精確的求得較優(yōu)的解決方案，能有效的提高設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)獲得更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：懸掛支架;拓?fù)鋬?yōu)化;尺寸優(yōu)化;形狀優(yōu)化

1 引言

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，舵面懸掛支架用于將舵面的氣動(dòng)載荷和慣性載荷傳遞給主承力結(jié)構(gòu)，往往需要承受較大的集中載荷。此外，由于氣流不穩(wěn)定或舵面操縱引起的顫振，對(duì)懸掛支架疲勞設(shè)計(jì)提出要求。同時(shí)操縱舵面所需要的做動(dòng)器液壓管路和控制電纜需要通過這些懸掛支架，需要在支架上開口以保證設(shè)計(jì)通路。以上這些因素對(duì)懸掛支架的設(shè)計(jì)提出了較高的要求，用常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法往往需要經(jīng)過多次的迭代，才能設(shè)計(jì)出較為符合要求的零件。因此為了獲得較輕的結(jié)構(gòu)重量和縮短設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，需要使用新的設(shè)計(jì)工具。

2 Optistruct優(yōu)化軟件

Optistruct是專門為產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)和精細(xì)設(shè)計(jì)開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化工具，是一種以有限元方法為基礎(chǔ)的優(yōu)化工具，憑借拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，可以產(chǎn)生精確的設(shè)計(jì)概念或布局[1]。

它是當(dāng)今最成熟的也是應(yīng)用最廣泛的優(yōu)化類軟件，國(guó)外的汽車部件或整車大都使用該軟件進(jìn)行優(yōu)化，但是在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域還尚未普及。很大一部分原因在于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜以及載荷工況-邊界條件的難以確定[2]。但是對(duì)于單個(gè)零件而言，仍然可以通過簡(jiǎn)化模型以及加載條件來進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化。并且在此基礎(chǔ)之上，采用尺寸和形狀優(yōu)化工具來獲得更輕的結(jié)構(gòu)，或者得到更好的剛度強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

3 懸掛支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 模型簡(jiǎn)化

圖1所示懸掛支架的簡(jiǎn)化受力模型，將三維模型載入HyperMesh后抽取中面，整個(gè)模型采用殼單元模擬。

鉸鏈點(diǎn)處的集中載荷由耳片處的螺栓組傳遞給支架，支架與上、下梁緣條各通過8個(gè)螺栓連接，梁則用一段“工”字型梁模擬。支架腹板區(qū)域?yàn)榭稍O(shè)計(jì)區(qū)域，其余部分為非可設(shè)計(jì)區(qū)域。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化amp;形狀優(yōu)化

選取合適的計(jì)算參數(shù)后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到如圖2計(jì)算結(jié)果，所示為單位密度大于0.5的元素。在可設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)優(yōu)化后的傳力路徑非常清晰。

根據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行尺寸amp;形狀優(yōu)化，需要在支架傳力路徑上增加加強(qiáng)筋條。由于立筋的增加，為了準(zhǔn)確模擬耳片與加強(qiáng)筋之間的傳力，需將拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)的單耳片改為雙耳片（圖3）。

在這一步優(yōu)化中，以筋條處的典型剖面為例（圖4），筋條的高度和厚度以及筋條兩邊腹板的寬度和厚度都是可設(shè)計(jì)變量。其中t1～t3為尺寸設(shè)計(jì)變量，h3、w1和w2是形狀設(shè)計(jì)變量。因此本模型中變量的數(shù)量很多，各個(gè)變量之間對(duì)結(jié)果存在著復(fù)雜的影響關(guān)系。基于最終的優(yōu)化結(jié)果對(duì)參數(shù)的變化十分敏感，因此尺寸amp;形狀優(yōu)化需要經(jīng)過幾輪迭代后才能取得一個(gè)可信的結(jié)論。

當(dāng)然在尺寸優(yōu)化中，減少某些設(shè)計(jì)變量或者將關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行整合有利于計(jì)算，同時(shí)較少的尺寸變量也便于制造。如將所有筋條高度、筋條厚度和腹板厚度各自整合為一個(gè)變量。

4 幾何模型

在尺寸amp;形狀優(yōu)化這一步計(jì)算中，形狀優(yōu)化得出的結(jié)論為減輕孔的存在對(duì)于零件的剛度有較大的影響。但是由于懸掛支架腹板必須開口作為系統(tǒng)管路的通道，并且也可以作為安裝檢修通道，因此保留適當(dāng)大小的減輕孔是必要的。

將上述支架的優(yōu)化結(jié)果返回到CATIA模型中，針對(duì)優(yōu)化模型中對(duì)部分應(yīng)力較高的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，并對(duì)應(yīng)力集中的倒角進(jìn)行增大，結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。圖5（b）為未經(jīng)優(yōu)化的僅有系統(tǒng)管路通道開口的零件作為對(duì)比。

將此三維數(shù)模建立有限元模型，按極限工況計(jì)算其變形及應(yīng)力分布，可得到如圖6結(jié)果。

如表1所示，當(dāng)保持兩個(gè)零件重量基本相等時(shí)，在極限載荷下兩者的位移基本相同，但是優(yōu)化零件的最大應(yīng)力大約為254MPa，而未優(yōu)化零件的最大應(yīng)力約為303MPa。同時(shí)由于優(yōu)化零件有加強(qiáng)筋的存在，能有效提高腹板面的抗失穩(wěn)性，相對(duì)于未優(yōu)化零件平板型腹板存在明顯優(yōu)勢(shì)。

5 總結(jié)

上述工作展示了拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等工具在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的初步應(yīng)用。這些工具的使用能有效的減少零件的概念實(shí)際、詳細(xì)設(shè)計(jì)所花費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)也能取得較好的設(shè)計(jì)。

但是同時(shí)也顯示了，完整的邊界條件、詳細(xì)的工況輸入、成熟的目標(biāo)定義對(duì)于優(yōu)化迭代的準(zhǔn)確性是非常重要的。當(dāng)然，在實(shí)際工程應(yīng)用中，取得最優(yōu)化的結(jié)果往往是不切實(shí)際的，也是不實(shí)用的。如何在一個(gè)在較大的可行設(shè)計(jì)空間內(nèi)能滿足性能要求的、較優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，是一個(gè)可行也是具有實(shí)際意義的探索方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]于開平，周傳月，譚惠豐等.Hypermesh從入門到精通[M].-北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]Lars Krog， Alastair Tucker and Gerrit Rollema. Airbus UK Ltd. Airbus UK Ltd Bristol BS99 7AR.