飛機(jī)進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

摘 要：本文使用有限元分析軟件對飛機(jī)進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化。首先，以進(jìn)氣門的艙門結(jié)構(gòu)材料密度分布作為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)剛度最大化為設(shè)計目標(biāo)，求解結(jié)構(gòu)最佳傳力路線。其次，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果建立艙門尺寸優(yōu)化模型，以結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋和腹板厚度為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)實際使用時產(chǎn)生的剛度不足等問題作為約束條件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，剛度明顯提升，結(jié)構(gòu)質(zhì)量比原結(jié)構(gòu)減輕19.6%。

關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化；尺寸優(yōu)化；剛度優(yōu)化；輕量化設(shè)計

中圖分類號：V 214 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本任務(wù)是在滿足強(qiáng)度、剛度、氣動彈性等力學(xué)性能要求的情況下，盡可能使飛機(jī)減重。飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計往往需要多次迭代優(yōu)化，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多依靠大量的經(jīng)驗積累，迭代效率較低。基于有限元理論開發(fā)的有限元分析軟件不斷成熟，軟件的優(yōu)化模塊也在航空領(lǐng)域獲得了多方面的應(yīng)用，例如對飛機(jī)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性優(yōu)化，以提升飛機(jī)安全性能[1-2]，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計，以減輕飛行阻力[3-4]，對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀和布局進(jìn)行優(yōu)化，以提供飛機(jī)總體設(shè)計思路等，使飛機(jī)研發(fā)周期縮短，飛機(jī)研制成本顯著降低。

在以上應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)的剛度優(yōu)化和輕量化是本文的重點關(guān)注對象。結(jié)構(gòu)受載時抵抗變形的能力稱為剛度，由于受載分為靜載荷和動載荷，因此剛度可隨載荷特點區(qū)分為靜剛度和動剛度。結(jié)構(gòu)靜剛度的改善可在分析計算時通過施加位移約束實現(xiàn)。動剛度與結(jié)構(gòu)固有頻率有關(guān)，當(dāng)外部動載荷作用頻率接近結(jié)構(gòu)固有頻率時，可能會引起結(jié)構(gòu)的共振，此時結(jié)構(gòu)動剛度最小。因此，可在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中對結(jié)構(gòu)施加頻率約束，以改善動剛度性能。結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計可通過軟件將最小質(zhì)量或最小體積設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)來實現(xiàn)。

1 進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)由艙門、上擋板、下?lián)醢濉⑸限D(zhuǎn)接件、下轉(zhuǎn)接件、上轉(zhuǎn)接件支座、下轉(zhuǎn)接件支座、電動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)接件組成，如圖1所示。工作時，由電機(jī)驅(qū)動電動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)接件轉(zhuǎn)動，上、下轉(zhuǎn)接件作為從動機(jī)構(gòu)隨之轉(zhuǎn)動。現(xiàn)有的艙門結(jié)構(gòu)整體剛度不足，上擋板、下?lián)醢遄冃瘟枯^大，且在進(jìn)氣時易產(chǎn)生較大振動。為改善這一問題，在已知總體外形參數(shù)和載荷工況的情況下，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

2 設(shè)計要求

2.1 載荷工況

進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)載荷工況分為2種，分別為極限工況時28kPa的均布?xì)鈩虞d荷以及正常工作時8.7kPa的均布?xì)鈩虞d荷。氣動載荷主要作用于上擋板、下?lián)醢濉⑴撻T，方向沿零件的外表面法線方向向外。

2.2 材料選擇

進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)所有材料均采用航空領(lǐng)域常用高強(qiáng)鋁合金7050-T7451，具有較高的強(qiáng)度、硬度和疲勞特性，符合進(jìn)氣門區(qū)域的受力情況選材要求。

2.3 設(shè)計約束

在已知的載荷條件下，進(jìn)氣門應(yīng)滿足的力學(xué)性能要求如下：115%限制載荷下，進(jìn)氣門不產(chǎn)生永久性的塑性變形；100%極限載荷作用下，進(jìn)氣門不破壞失效；進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的剛度特性。

3 初步設(shè)計

3.1 有限元建模

如圖2所示，使用軟件中的網(wǎng)格劃分模塊對進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，使用優(yōu)化模塊對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化定義和計算。設(shè)定載荷為極限工況時的28kPa均布?xì)鈩虞d荷。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化定義

為尋找結(jié)構(gòu)最佳傳力路徑，對進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步拓?fù)鋬?yōu)化，將艙門劃分為優(yōu)化設(shè)計區(qū)域，其余結(jié)構(gòu)劃分為非優(yōu)化設(shè)計區(qū)域。將艙門的單元密度定義為設(shè)計變量，約束條件為上、下?lián)醢宕瓜蛭灰苵δy|≤50mm，艙門體積分?jǐn)?shù)lt;30%，目標(biāo)函數(shù)為艙門結(jié)構(gòu)剛度最大。設(shè)定30%為材料密度閾值，僅顯示材料密度大于30%的單元，優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

3.3 結(jié)果分析

由圖3可知，3個轉(zhuǎn)接件與艙門的連接處材料密度較大，且從連接處沿Y軸向兩側(cè)呈條帶狀擴(kuò)散，說明轉(zhuǎn)接件處應(yīng)力水平較高，應(yīng)分配更多材料。此外，沿Y軸方向上轉(zhuǎn)接件與上擋板之間的區(qū)域材料分布比下轉(zhuǎn)接件與下?lián)醢逯g的多，上擋板距主動桿較遠(yuǎn)，且上擋板因氣動特性與垂直于Z軸方向的驅(qū)動力作用面即電動機(jī)構(gòu)連接平面存在一定夾角，力臂較長。綜上所述，結(jié)構(gòu)傳力路徑較清晰，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果合理。

4 詳細(xì)設(shè)計

4.1 尺寸優(yōu)化定義

由于艙門沿厚度Z方向的尺寸較小，且圖3拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中主傳力路徑較清晰，因此將艙門加工方式選定為帶加強(qiáng)筋的整體機(jī)加件。在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中材料密度分布較多的區(qū)域均布置為加強(qiáng)筋，考慮進(jìn)氣量的需求，將其余垂直于加強(qiáng)筋的區(qū)域布置為腹板。將腹板、加強(qiáng)筋沿兩者的交界處分割為多個區(qū)域，每個區(qū)域的厚度在尺寸優(yōu)化流程中定義為多個不同的設(shè)計變量。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果建立尺寸優(yōu)化模型，如圖4所示。本輪優(yōu)化中，設(shè)計變量為艙門結(jié)構(gòu)腹板厚度和加強(qiáng)筋厚度，約束條件為上、下?lián)醢?8kPa均布載荷時垂向位移|δy|≤50mm，8.7kPa均布載荷時|δy|≤14mm，單元最大應(yīng)力≤510MPa，結(jié)構(gòu)固有頻率≥50Hz，優(yōu)化目標(biāo)為設(shè)計區(qū)域體積最小，即質(zhì)量最輕。

4.2 結(jié)果分析

進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。在3個轉(zhuǎn)接件的連接處加強(qiáng)筋的厚度尺寸較大，且沿Y軸方向左側(cè)加強(qiáng)筋整體厚度水平高于右側(cè)加強(qiáng)筋，與3.3節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)論基本吻合，說明尺寸優(yōu)化結(jié)果合理，可按尺寸優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行建模分析。此外，電動轉(zhuǎn)接件連接區(qū)域加強(qiáng)筋厚度值高于上、下轉(zhuǎn)接件7mm左右，這是因為2次分析時目標(biāo)函數(shù)不同，即各階段的設(shè)計要求不同。初步拓?fù)鋬?yōu)化時以剛度最大為目標(biāo)函數(shù)，目的是尋找結(jié)構(gòu)主傳力路徑，該階段無須關(guān)注質(zhì)量參數(shù)，當(dāng)詳細(xì)設(shè)計時，尺寸優(yōu)化結(jié)果給出了結(jié)構(gòu)各截面的厚度參數(shù)，可以作為零件的設(shè)計依據(jù)，也可以由結(jié)果估算零件的質(zhì)量，因此需要在優(yōu)化時預(yù)先對零件質(zhì)量施加限制，即以質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)。綜上，兩級優(yōu)化的結(jié)合可使零件滿足實際工程需求。

4.3 強(qiáng)度設(shè)計校核

優(yōu)化后的進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)在極限載荷和115%限制載荷作用下的綜合應(yīng)力云圖如圖6所示。圖6（a）極限載荷時結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為446.3MPa，未超過材料強(qiáng)度極限510MPa；圖6（b）115%限制載荷作用下最大應(yīng)力為382.5MPa，未超過材料屈服極限440MPa。因此，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。此外，應(yīng)力云圖中最大載荷點位于電動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)接件、上、下?lián)醢迮c艙門腹板的連接處，可對附近材料進(jìn)行適當(dāng)增厚處理或增加倒圓角值，提升結(jié)構(gòu)的安全裕度。

4.4 剛度設(shè)計校核

4.4.1 靜剛度

本文重點關(guān)注X方向和Y方向的靜剛度，如果X、Y方向位移過大，有艙門與機(jī)體門框結(jié)構(gòu)的干涉的可能，從而影響艙門的閉合，威脅飛行安全。在極限載荷和工作載荷下，艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后X和Y方向的最大位移值見表1。由表1可知，除極限載荷時優(yōu)化前、后X方向最大位移值基本不變以外，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大位移值明顯降低，說明艙門結(jié)構(gòu)的剛度性能有明顯改善。

4.4.2 動剛度

進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后前三階固有頻率見表2。由表2可知，經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)頻率均高于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)動剛度性能得到了改善。

4.5 工程化設(shè)計

在兩級優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合零件制造、裝配的工藝性要求，對艙門工程化設(shè)計建模，結(jié)果如圖7所示。用加強(qiáng)筋將艙門劃分為不同區(qū)域的凹槽，加強(qiáng)筋的寬度以及凹槽的腹板厚度根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果來確定；艙門加強(qiáng)筋方向均平行于Z軸方向，方便銑刀對零件進(jìn)行銑切；為減少應(yīng)力集中，提高零件的抗疲勞性能，統(tǒng)一設(shè)定轉(zhuǎn)角和底角分別為R6mm和R3mm；考慮零件的裝配需求，零件與轉(zhuǎn)接件零件、與機(jī)身邊框連接處的外形參數(shù)、尺寸參數(shù)、緊固件連接的開孔尺寸均與原結(jié)構(gòu)相同。優(yōu)化后的零件質(zhì)量為2.071kg，比優(yōu)化前的零件減重0.506kg，減輕19.6%。

5 結(jié)語

綜上所述，本文得出以下結(jié)論。1）拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化結(jié)合是一種有效、便捷的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，可將產(chǎn)品應(yīng)用時的實際工程問題轉(zhuǎn)化為分析軟件中的約束條件和目標(biāo)函數(shù)，使結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計指標(biāo)。2）應(yīng)在優(yōu)化模塊中加入制造工藝約束，提升零件的制造工藝可行性。3）經(jīng)兩級優(yōu)化、工程化設(shè)計后的零件還應(yīng)進(jìn)行一系列試驗驗證工作。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧忠，支亞非，張斌，等.太陽能無人機(jī)機(jī)翼肋拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（3）：207-210.

[2]孟亮，楊金沅，楊智威，等.典型飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)的抗屈曲優(yōu)化設(shè)計與試驗驗證[J].航空學(xué)報，2024，45（5）：373-384.

[3]邢本東，王福雨，王向明.拓?fù)鋬?yōu)化在飛機(jī)艙門搖臂結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].計算機(jī)輔助工程，2018，27（合刊1）：48-50.

[4]牛西茜，李昕瑩，李佩澤.基于變密度法的飛機(jī)襟翼拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J].兵器裝備工程學(xué)報，2024，45（3）：101-106.