基于Hyperworks Inspire的結構拓撲優化設計

高朋　吳志強

【摘 要】使用CATIA軟件建立前起落架上撐桿三維輪廓模型導入拓撲優化設計軟件Hyperworks Inspire中，通過該軟件良好的設計概念視覺化效果，根據結構受力、支撐等因素，即可在概念設計階段獲得材料最省的最佳承力結構，為詳細設計節省了大量的勞動力，縮短開發周期，降低生產成本。

【關鍵詞】Hyperworks Inspire；前起落架；結構優化

Topological Optimization of Structure Based on Hyperworks Inspire

GAO Peng WU Zhi-qiang

（R&D Development Center， AVIC Aircraft Corporation， LTD.， Xian Shaanxi 710089， China）

【Abstract】The 3D contour model of upper strut of nose landing gear is created in CATIA，transferred into the Hyperworks Inspire software，across the nicer design concept and the good visual effect，take into account the elements of model stress and support，obtain the best force supporting structure in the conception design step，In detailed design can save a lot labor，shorten the development cycle，reduce the Cost of production。

【Key words】Hyperworks Inspire； Nose landing gear； Structural Optimization

0 引言

Hyperworks Inspire是將OptiStruct解算器以及一些前處理的功能進行了打包分裝，大量的前處理工作隱式化，利用“拓撲優化”的技術，根據結構件的受力，支撐等因素，利用優化技術獲得材料最省的最佳承力結構，在此基礎上進行詳細設計，使材料在零件的布置更加合理，克服了以往靠經驗設計，僅考慮零件的功能性需求，忽視其可靠性的缺陷。其擁有良好的設計概念視覺化效果，是非常適合概念設計階段提升結構性能并輔助減重的一個優化軟件。相對傳統的結構優化設計流程即“設計——論證——再設計”的模式[1-5]，縮短開發周期，改善結構性能、提高工作效率、實現了結構減重、生產成本的降低。

1 受載情況及受力分析

1.1 受載情況

前起落架主要承受三個載荷：地面垂直載荷、側向載荷和地面航向載荷。地面航向載荷通過輪軸上傳給活塞桿和外筒，并通過外筒與前撐桿連接耳片上傳給下撐桿，下撐桿相當于一個二力桿，與上撐桿連接，并通過上撐桿與機身連接轉軸將載荷上傳給機身。

前撐桿在地面載荷作用下主要承受拉壓載荷。前撐桿主要包括上撐桿、下撐桿和鎖撐桿。鎖撐桿在地面載荷作用下不受力，在收起起落架鎖定后受力。本次結構優化以上撐桿承載受拉載荷工況為研究對象。

1.2 受力分析

上撐桿和下撐桿連接耳片為雙耳，耳片主要承受下撐桿傳遞的拉壓載荷。根據前撐桿的結構特點，在各工況下承受最大拉伸Pls=160193.2N，受拉角度53.5度；承受最大壓縮載荷Pys=172974.7N，受壓角度126.5度。耳片沿軸向拉伸，受載角度為0度。耳孔拉伸設計工況下，單個耳片上的載荷Pα= Pls/2=80096.6N。

上撐桿所選取的材料是：7050，取其彈性模量E=71000GPa；泊松比μ=0.33；密度ρ=2820g/mm3。

2 模型的建立

根據上撐桿在地面載荷作用下主要承受拉壓載荷，結合本次模擬的工況，上端可簡化為固定約束，沿耳片方向受拉伸載荷，使用CATIA軟件設計上撐桿簡化模型如圖1所示。

3 拓撲優化設計及其結果

定義模型，根據模型特點、受力要求，對模型進行約束定義，如圖2所示。

3.1 約束與加載

1）施加約束：上端進行自由度約束、下端施加拉伸力載荷；

2）添加形狀控制：包括拔模方向和零件對稱性的設置；

3）定義設計空間：定義運行優化時的零件的部位，被定義為設計空間的零件都將會生成一個新形狀。

3.2 優化方案

本次優化主要以最大剛度為目的，實現最小質量目標。對于質量目標，（ⅰ）. %的全部設計空間體積：表明生成的形狀占設計空間總材料的 %；（ⅱ）.最小厚度：在厚度約束中控制最小厚度。共進行四組優化。如表1所示：

表1 優化方案

3.3 優化結果分析因素

1）安全因子：接近最小安全因子的區域顯示為紅色，表示該部件最有可能失效。如果模型整體顯示為藍色，則表示該部件在此種載荷工況下沒有失效的危險。安全系數大于最小安全因子，預計該模型在此種載荷工況下不會失效，如圖3；

2）拉伸與壓縮：模型中顯示為橙色的區域受到張力影響，綠色區域則受壓縮力影響，如圖4；

3）位移：確定最大位移；

4）米塞斯等效應力：確認不存在紅色的隱藏區域。

3.4 拓撲優化結果

第一組：30%-15mm

位移：最大位移0.125mm；

安全因子：在該參數下模型不會失效，見該體積和厚度非常充裕。

第二組：30%-10mm

位移：最大位移0.116mm；

安全因子：該優化結果可見兩耳片之間連接部分有少許增加。在該參數下模型不會失效。

第三組：20%-10mm

位移：最大位移0.159mm；

安全因子：該優化結果可見兩耳片之間連接部分明顯增多。在該參數下模型局部略微存在失效的可能性。

第四組：15%-9mm

位移：最大位移0.22mm；

安全因子：該優化結果明顯可見兩耳片之間連接有少許加強。在該參數下模型極易失效，非常危險。

四組優化結果的米塞斯等效應力：經確認均不存在紅色的隱藏區域。

4 結論

對四組優化結果以及其他性能的分析，得出如下結論：

Ⅰ.當體積一定，厚度變小時，為了保證零件的穩定性，兩耳片之間的連接部分會有所增加，進而導致位移反而變短；

Ⅱ.當厚度一定，體積變小時，位移量會有所增加，同時耳片之間的連接部分也會明顯加強，以保證零件的穩定性；

Ⅲ.當體積變為15%，最小厚度變為9mm時，零件已經嚴重失穩；對體積15%-厚度8mm進行結構優化則無法進行，要求增加厚度；故推測零件最小厚度必須>9mm；

Ⅳ.從優化結果可以看出局部受力較大，最容易出現失穩的部位均在零件轉折部位，均需要加強，這大概也是該零件設計時外圍都加強的原因；

Ⅴ.本次優化僅選用了拉伸工況，最終還得綜合其他工況來確定驗證該零件的設計思路和方案。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]