航空發動機支架結構拓撲設計與分析

劉治呈

摘 要：為了提高航空發動機支架結構的設計質量，為發動機的正常工作提供穩固的支撐，就需要對支架結構進行拓撲設計分析，進而不斷優化支架結構。本文對拓撲優化理論進行了一定的論述，在此基礎上，進一步討論了發動機支架的拓撲優化，并對設計方案進行了對比分析，進而優選最佳的設計方案，對于從事相關工作的技術人員具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：航空；發動機；支架結構

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

1 前言

結構拓撲設計是對結構材料進行最佳分配的一種優化方法，在規定的設計區域內，其通過對載荷、約束以及優化目標等進行對比分析，進而實現結構優化的目的。隨著計算機技術的不斷發展，這就為結構拓撲優化提供了設備支持，為其在航空航天、機械以及船舶等多個領域的廣泛應用提供了可靠保障。結構拓撲優化的優勢在于其能夠在結構形狀沒有確定的情況下，根據所提供的邊界條件和給定的載荷進而確定合理的結構形式，不僅能夠將其用于新產品的設計過程中，而且還能對原有產品進行優化設計。為了提高航空發動機支架的設計質量，確保發動機的正常運行，對當前的支架結構進行拓撲優化設計，進而優選性能優良的支架結構，從而為發動機提供穩固的支撐。

2 拓撲優化理論

（1）拓撲優化變密度法。結構拓撲優化的本質是在規定的涉及區域內尋求最優材料分布的問題并進行求解。當前連續結構拓撲優化方法中，比較常用的有均勻法、變密度法以及漸進結構優化法等。本文將采用變密度法對航空發動機支架結構進行拓撲設計分析，通過引入一種假想的、密度值介于0～1之間的材料，進而將支架的連續結構體離散成為有限元的模型。在設計過程中，設計變量就是每個單元的密度值，進而能夠將支架拓撲結構優化的問題轉變為單元材料的最優分布問題，從而能夠降低設計難度，提高支架的拓撲優化質量。

（2）拓撲優化的設計流程。本文中的支架結構拓撲優化是通過Nastran平臺進行的，其能夠大大提高拓撲優化工作效率，并且能夠獲得良好的拓撲優化結構。首先，要充分明確航空發動機支架的設計位置，借助三維UG軟件建立發動機與飛機機身相連接的幾何模型，由于以后的優化設計是建立在該模型的基礎上，因此，要對該模型進行系統全面的檢查，確保其與實際情況相符；其次，采用Patran軟件對支架的結構模型進行前期的預處理，通過優化面板對設計區域、目標函數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，再對支架結構進行拓撲優化迭代分析，尋找結構的最優解，其整個拓撲優化設計流程如下圖1所示。

3 發動機支架的拓撲優化

（1）有限元模型的建立。通過建立有限元模型能夠對發動機支架進行科學合理的離散化，即對其進行網格劃分，這就為結構優化分析提供良好的基礎。在保持發動機支架外形輪廓不變的前提下，通過對其進行充填處理，將其轉變為橫梁結構。將航空發動機的橫梁結構作為拓撲優化的初始結構進行對比分析，采用Patran軟件對其進行六面體網格劃分處理，進而建立相應的有限元模型。

（2）拓撲優化定義和優化結果顯示。在Patran軟件中利用優化面板對所需要進行優化的三要素進行科學合理的定義，即設計區域、目標函數以及約束條件。根據發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，為了提高支架的穩定性，還要在支架與飛機發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動機支架工作情況建立相應的拓撲優化模型，在Patran軟件的有限元分析過程中，設定的目標函數為結構的最小柔度，進而對規定區域內的每個單元格里的材料密度進行拓撲優化分析。

（3）設計方案。通過采用變密度法就能得到支架結構的拓撲優化結果-密度等值面分布圖，圖中應力較大位置處的單元密度相對較高，而應力較小位置處的單元密度相對較低。但是在實際應用的過程中，支架材料的密度無法做到連續變化，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整處理，進而能夠符合實際情況的要求。在支架的結構設計中，根據當前支架所采用的結構形式，對拓撲優化結果進行一定的適應性調整，所得到的航空發動機支架設計方案如下圖2所示。

4 結語

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

參考文獻：

[1]劉韜，仲梁維，李森林.基于ANSYS Workbench的發動機支架優化設計[J].農業裝備與車輛工程，2018（11）：76-79.

[2]林瑞，匡兵，周峰等.基于變密度法的發動機支架性能優化[J]. 組合機床與自動化加工技術，2018（11）：123-126.

[3]陳寶.基于相對密度法的減震器下支座拓撲優化設計[J].汽車實用技術，2018（20）：52-54.

[4]王健，冷毅.拓撲優化在電驅變速箱懸置支架設計中的應用研究[J].汽車實用技術，2018（14）：39-41.