航空發(fā)動機支架結(jié)構(gòu)拓撲設(shè)計與分析

劉治呈

摘 要：為了提高航空發(fā)動機支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量，為發(fā)動機的正常工作提供穩(wěn)固的支撐，就需要對支架結(jié)構(gòu)進行拓撲設(shè)計分析，進而不斷優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)。本文對拓撲優(yōu)化理論進行了一定的論述，在此基礎(chǔ)上，進一步討論了發(fā)動機支架的拓撲優(yōu)化，并對設(shè)計方案進行了對比分析，進而優(yōu)選最佳的設(shè)計方案，對于從事相關(guān)工作的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：航空；發(fā)動機；支架結(jié)構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.004

1 前言

結(jié)構(gòu)拓撲設(shè)計是對結(jié)構(gòu)材料進行最佳分配的一種優(yōu)化方法，在規(guī)定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)，其通過對載荷、約束以及優(yōu)化目標等進行對比分析，進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，這就為結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化提供了設(shè)備支持，為其在航空航天、機械以及船舶等多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了可靠保障。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的優(yōu)勢在于其能夠在結(jié)構(gòu)形狀沒有確定的情況下，根據(jù)所提供的邊界條件和給定的載荷進而確定合理的結(jié)構(gòu)形式，不僅能夠?qū)⑵溆糜谛庐a(chǎn)品的設(shè)計過程中，而且還能對原有產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計。為了提高航空發(fā)動機支架的設(shè)計質(zhì)量，確保發(fā)動機的正常運行，對當前的支架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，進而優(yōu)選性能優(yōu)良的支架結(jié)構(gòu)，從而為發(fā)動機提供穩(wěn)固的支撐。

2 拓撲優(yōu)化理論

（1）拓撲優(yōu)化變密度法。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的本質(zhì)是在規(guī)定的涉及區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題并進行求解。當前連續(xù)結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法中，比較常用的有均勻法、變密度法以及漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。本文將采用變密度法對航空發(fā)動機支架結(jié)構(gòu)進行拓撲設(shè)計分析，通過引入一種假想的、密度值介于0～1之間的材料，進而將支架的連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散成為有限元的模型。在設(shè)計過程中，設(shè)計變量就是每個單元的密度值，進而能夠?qū)⒅Ъ芡負浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧牧系淖顑?yōu)分布問題，從而能夠降低設(shè)計難度，提高支架的拓撲優(yōu)化質(zhì)量。

（2）拓撲優(yōu)化的設(shè)計流程。本文中的支架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是通過Nastran平臺進行的，其能夠大大提高拓撲優(yōu)化工作效率，并且能夠獲得良好的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)。首先，要充分明確航空發(fā)動機支架的設(shè)計位置，借助三維UG軟件建立發(fā)動機與飛機機身相連接的幾何模型，由于以后的優(yōu)化設(shè)計是建立在該模型的基礎(chǔ)上，因此，要對該模型進行系統(tǒng)全面的檢查，確保其與實際情況相符；其次，采用Patran軟件對支架的結(jié)構(gòu)模型進行前期的預處理，通過優(yōu)化面板對設(shè)計區(qū)域、目標函數(shù)以及約束條件等進行明確的定義，為更進一步的分析提供支持；最后，再對支架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化迭代分析，尋找結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，其整個拓撲優(yōu)化設(shè)計流程如下圖1所示。

3 發(fā)動機支架的拓撲優(yōu)化

（1）有限元模型的建立。通過建立有限元模型能夠?qū)Πl(fā)動機支架進行科學合理的離散化，即對其進行網(wǎng)格劃分，這就為結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供良好的基礎(chǔ)。在保持發(fā)動機支架外形輪廓不變的前提下，通過對其進行充填處理，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄M梁結(jié)構(gòu)。將航空發(fā)動機的橫梁結(jié)構(gòu)作為拓撲優(yōu)化的初始結(jié)構(gòu)進行對比分析，采用Patran軟件對其進行六面體網(wǎng)格劃分處理，進而建立相應(yīng)的有限元模型。

（2）拓撲優(yōu)化定義和優(yōu)化結(jié)果顯示。在Patran軟件中利用優(yōu)化面板對所需要進行優(yōu)化的三要素進行科學合理的定義，即設(shè)計區(qū)域、目標函數(shù)以及約束條件。根據(jù)發(fā)動機支架在實際工作過程中所受到的外力大小，對其施加相同大小的載荷，在支架的重心位置處加以800N豎直方向載荷、720N水平方向載荷以及45N·m，同時，為了提高支架的穩(wěn)定性，還要在支架與飛機發(fā)動機安裝板的連接處施加一固定約束。嚴格按照以上所述的發(fā)動機支架工作情況建立相應(yīng)的拓撲優(yōu)化模型，在Patran軟件的有限元分析過程中，設(shè)定的目標函數(shù)為結(jié)構(gòu)的最小柔度，進而對規(guī)定區(qū)域內(nèi)的每個單元格里的材料密度進行拓撲優(yōu)化分析。

（3）設(shè)計方案。通過采用變密度法就能得到支架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化結(jié)果-密度等值面分布圖，圖中應(yīng)力較大位置處的單元密度相對較高，而應(yīng)力較小位置處的單元密度相對較低。但是在實際應(yīng)用的過程中，支架材料的密度無法做到連續(xù)變化，因此，需要對所得到的密度等值面分布圖進行一定的人工調(diào)整處理，進而能夠符合實際情況的要求。在支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，根據(jù)當前支架所采用的結(jié)構(gòu)形式，對拓撲優(yōu)化結(jié)果進行一定的適應(yīng)性調(diào)整，所得到的航空發(fā)動機支架設(shè)計方案如下圖2所示。

4 結(jié)語

總而言之，拓撲優(yōu)化是一種有效的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方法，通過將其有效的運用于航空發(fā)動機支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化過程中，能夠在一定程度上提高發(fā)動機支架的設(shè)計質(zhì)量，進而為發(fā)動機支架的穩(wěn)定工作提供可靠保障。本文對拓撲優(yōu)化理論進行了一定的介紹，并將其與發(fā)動機支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進行結(jié)合，進而對當前的發(fā)動機支架結(jié)構(gòu)進行了一定的優(yōu)化分析，能夠在一定程度上改善支架的受力情況，提高其穩(wěn)定性，為確保發(fā)動機正常工作提供牢固的支撐。

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