某型飛機(jī)操縱搖臂拓?fù)鋬?yōu)化研究

劉軍

【摘 要】鑒于拓?fù)鋬?yōu)化方法在國外飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計上的成功應(yīng)用，在HyperWorks 軟件中對某型飛機(jī)襟翼操縱搖臂在給定體積和應(yīng)力約束條件下以總剛度最大化為目標(biāo)進(jìn)行了輕量化設(shè)計，然后通過尺寸和形狀優(yōu)化進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計。通過CATIA 軟件對優(yōu)化結(jié)果重建模并對最終結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，可以發(fā)現(xiàn)使用本文的方法得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)在提高剛度的條件下，與原結(jié)構(gòu)相比減重達(dá)21.32%。

【關(guān)鍵詞】拓?fù)鋬?yōu)化；尺寸優(yōu)化；操縱搖臂；剛度

0 前言

在常規(guī)的飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在概念設(shè)計階段設(shè)計人員主要依靠以往的經(jīng)驗(yàn)以及工程判斷確定所設(shè)計零部件的結(jié)構(gòu)形式。而面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者在結(jié)構(gòu)形式完全未知的情況下，傳統(tǒng)優(yōu)化方法需要多次迭代設(shè)計才能得到滿足設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)，但卻不能保證結(jié)構(gòu)形式的最優(yōu)化和結(jié)構(gòu)重量的最小化。而基于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計方法可以很好的解決該問題，因此近些年基于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計逐漸被引入到飛行器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計上。

1 拓?fù)鋬?yōu)化介紹

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是具有創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，是指在給定的設(shè)計空間內(nèi)找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計。

拓?fù)鋬?yōu)化的材料模式采用密度法（SIMP方法），即將有限元模型設(shè)計空間的每個單元的“單元密度”作為設(shè)計變量。該“單元密度”同結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)有關(guān)（單元密度與材料彈性模量E之間具有某種函數(shù)關(guān)系），0～1之間連續(xù)取值，優(yōu)化求解后單元密度為1（或者靠近1）表示該單元位置處的材料很重要，需要保留；單元密度為0（或靠近0）表示該單元處的材料不重要，可以去除，從而達(dá)到材料的高效利用，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計。

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在實(shí)際工程中的最大困難是可制造加工性，一個在現(xiàn)有工藝條件下不能被加工，或者加工成本很高的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是沒有任何使用價值的。因此在作拓?fù)鋬?yōu)化時，必需考慮到零件的可加工性。

2 詳細(xì)優(yōu)化過程

2.1 原始模型及輸入條件

上圖1所示為操縱搖臂原始設(shè)計，其中A點(diǎn)為加載點(diǎn)，B點(diǎn)及C點(diǎn)為約束點(diǎn)。

A點(diǎn)通過關(guān)節(jié)軸承連接驅(qū)動臂，因此只受到一個集中載荷F，將集中載荷F按Y與Y方向分解，得到X方向載荷Fx為4856N，受到的Y方向載荷Fy為23877N。

B點(diǎn)與C點(diǎn)通過關(guān)節(jié)軸承連接到襟翼翼面的耳片上，為保證B點(diǎn)的耳片不受到面外力，即B點(diǎn)不受到X方向的分解力，結(jié)構(gòu)設(shè)計上將單雙耳連接處設(shè)置一定的間隙老保證傳力路線的斷裂。在計算模擬時，則B點(diǎn)只受到Y(jié)向的位移約束，X方向的位移和XY方向的轉(zhuǎn)動都是自由放開的；C點(diǎn)則受到X，Y兩方向的位移約束，而X、Y方向的轉(zhuǎn)動也是自由放開的。

2.2 約束條件

對原始模型進(jìn)行強(qiáng)度剛度計算，得到原始結(jié)構(gòu)最大變形為12.24mm，優(yōu)化模型需要相對于原始模型，不減弱其強(qiáng)度和剛度的情況下，質(zhì)量最輕。因此，將優(yōu)化模型的約束條件為測量點(diǎn)位移設(shè)置為拓?fù)鋬?yōu)化的約束條件。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

將原先設(shè)計區(qū)域使用實(shí)體單元進(jìn)行填充，確定設(shè)計區(qū)域與非設(shè)計區(qū)域，選擇耳片連接區(qū)域的部分單元為非設(shè)計區(qū)域，考慮機(jī)加以及裝配工藝，對模型進(jìn)行道具進(jìn)出方向約束、對稱約束以及最大最小尺寸約束。優(yōu)化變量為設(shè)計區(qū)域內(nèi)實(shí)體單元的單元密度。

通過多步的迭代計算，模型優(yōu)化目標(biāo)在滿足約束條件的基礎(chǔ)上收斂，對零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化迭代，得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖2所示：

由拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果可以清晰的得到結(jié)構(gòu)的傳力路徑，在新的設(shè)計中，應(yīng)該將材料布置在傳力路徑上，提高材料的使用效率。

2.4 尺寸優(yōu)化

按照拓?fù)鋬?yōu)化得到的材料分布情況，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。但是不能完全按照拓?fù)涞慕Y(jié)果進(jìn)行設(shè)計，需要根據(jù)設(shè)計人員的工程經(jīng)驗(yàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的修改。

按筋條走向?qū)⒘慵指畛啥鄠€區(qū)域，將每段緣條和每塊腹板厚度定義為設(shè)計變量，對它們進(jìn)行尺寸優(yōu)化，同樣以最大變形為設(shè)計約束，計算各個部分最佳的設(shè)計尺寸。 根據(jù)尺寸優(yōu)化的結(jié)果，得到最終的的改進(jìn)后零件數(shù)模。

3 結(jié)果分析

3.1 減重情況

減重前零件重2.725kg，減重后重量為2.144kg，經(jīng)過優(yōu)化減重0.581kg，減重21.32%。

3.2 應(yīng)力分布

圖4給出了優(yōu)化結(jié)果最嚴(yán)酷工況條件下的應(yīng)力云圖。從云圖顯示的結(jié)果可以看出除卻局部應(yīng)力集中部位，新?lián)u臂上下緣條應(yīng)力在140～280MPa之間，筋條應(yīng)力在50～150MPa之間，腹板應(yīng)力在140～280MPa之間，這些結(jié)構(gòu)都在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，并且應(yīng)力分布比較均勻，材料利用率較高。

優(yōu)化后零件的最大變形為10.072mm，加載點(diǎn)的最大變形量為9.944mm，相對于優(yōu)化前12.239mm的最大變形，零件剛度提高11.43%。

4 結(jié)論

本文將基于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計方法應(yīng)用到某型飛機(jī)的機(jī)翼襟翼操縱搖臂的優(yōu)化設(shè)計中，利用HyerWorks 軟件平臺，經(jīng)過拓?fù)洹⒊叽鐑?yōu)化，得到了結(jié)構(gòu)，在滿足應(yīng)力要求的同時，既提高了零件的剛度，并且減重達(dá)21.32%。本文說明了基于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計方法在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用價值和前景，特別是設(shè)計工程實(shí)際中遇到的新型未知結(jié)構(gòu)時，本文方法具有巨大的優(yōu)勢。但需要注意的是，當(dāng)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果抽象出幾何實(shí)體時，對設(shè)計人員的工程經(jīng)驗(yàn)有一定要求。

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[責(zé)任編輯：湯靜]