航空发动机支架结构拓扑设计与分析
基于hyperworks的发动机支架的拓扑优化
谢谢！
（2）模型简介：
模型来自某客车的发 动机右后支架，由于软 件限制10000个节点， 模型太大故只取外支架 优化。 材料属性： E = 2.1e+05 NU = 0.3 RHO = 7.9e-09
（3）模型边界条件： 背面与车架相连，故处理成固定约束； 底面承载发动机，经简化可处理成： a 垂直方向承载发动机的重力为1800N，动载 系数为1.2； b 客车转弯时受到的最大侧向加速度为0.4g,换 算成力为720N； c 前进方向当客车制动时最危险，最大制动加 速度为0.7g，换算成力为1260N； 将这三个力平均分配在底面的四个螺孔上。
比较项目 最大应力ห้องสมุดไป่ตู้
原始模型 64.9MPa 4415 良好
优化后模型 54.6MPa 3925 良好
质量
制造工艺性
应力集中情况
良好
良好
6.结论
由对比可知： （1）优化后的第一模态频率从713.7HZ提高到 921.7HZ，以后各阶频率均有提高； （2）最大应力从64.9MPa减小到54.6MPa； （3）最大变形从0.128mm降低到0.113mm； （4）减重11%； （5）再设计的模型制造工艺性良好，且消除了 应力集中。
2.原始结构的模态和强度分析
（1）模态分析： 由于模型的长和宽远 远大于厚，故抽中面 当作薄壳作。 得到原模型的一阶固 有频率为713.7HZ 二阶为1158.7HZ 三阶为1382.1HZ
（2）强度分析：
3.拓扑优化设计
上图即为拓扑优化的结果，由于发动机支 架是车上的重要零部件，对客车来说更是严格。 故在定义约束和选择优化结果是都采取最大隶 属原则，以安全为第一目标，充分考虑性能方 面的因素，如：固有频率﹑强度﹑刚度等。 故选择第二幅图为二次设计的参考对象。
多工况载荷下动力舱支架结构拓扑优化设计
摘要 ：为 了将 拓扑 优化 方法 引入某 动 力舱 支 架结 构 的优 化 设计 ， 用 基 于变 密度 方 法 的结 构 采 拓扑优 化技术 ， 数 为 目标 函数 ， 以保 留体 积 比 为约 束 条 件， 进行 了支 架结 构 的拓 扑优 化设计 ， 并对优 化前 、 支架 结构 的 刚强度及 模 态振 型进 行 了对 比与 后 分析 ， 果表 明优 化 以后 动力舱支 架 的静 、 结 动态特 性均 得到 了较大 幅度 的改善 ， 最大应 力 由９ ４ＭＰ ５ ａ
Ｒ Ｉ ｉｎ ， Ｕ ａ ｇ ＷＡ Ｇ Ｈ ｎ —ａ ， Ｑ Ｎ ｏ ｇｙｎ ＷＡ Ｇ Ｌａｇｘ Ｎ ｉ —ｉ ｎ
（ ｅ ａｔ ｎ ｆＭｅｈ ｎｃ ｌＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｄ ｐｒ ｍｅ ｔ ｃ ａ ｉａ ｎ ｉｅｒｎ ，Ａｃｄ ｍｙ ｏ ｍｏｅ ｏｃ ｇｎ ｅｉｇ ｏ ａ ｅ ｆＡｒ ｒｄ Ｆ ｒｅＥｎ ｉｅｒ ，Ｂｅ ｉｇ１ ０ ７ ｎ ｉ ｎ ０ ０ ２，Ｃｈｎ ） ｊ ｉａ Ａｂｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｒ ｅ ｏ ｕ ｅ ｔ ｅ ｏ ｔｍｉａｉｎ ｍｅｈｏ ｎ ｔ ｔｕ ｔ ｒ ｅ ｉ ｎ ｏ ｗｅ ｒ ｉ ｒ ｃ ｅ ，ａ ｔ － ｔａ ｔ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｓ ｈ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｔ ｄ ｉ ｈｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ｄ ｓｇ ｆａ ｐｏ ｒｔａｎ ｂ ａ ｋ ｔ ｏ
拓扑优化设计在航空发动机中的应用
拓扑优化设计在航空发动机中的应用随着现代航空技术的发展，航空发动机的性能和效率需求越来越高。
航空发动机的设计需要考虑多种因素，如飞行要求，可靠性和经济性等，同时满足这些要求的设计也需要在结构和材料上进行不断的改进和优化。
拓扑优化设计正是在这个背景下应运而生，它可以在设计流程中自动优化部件的拓扑结构，达到最佳性能和效率，从而提高航空发动机的整体性能。
何谓拓扑优化设计？拓扑优化是一种以减少材料和最大化功能为目标的设计方法，通过在计算机上模拟不同结构的性能，以达到最佳结果。
拓扑结构可以定义为从物体的外部看不到形状的结构，而这种结构又可以被视为自然物理和背景条件的结果。
拓扑优化设计通过对CAD 数据进行优化，增强了航空发动机零件的强度、稳定性和承载能力，并在降低零件重量和减少材料浪费方面有了重大突破。
拓扑优化设计的优势我们考虑一个对航空发动机的零件进行拓扑优化设计的例子，这个零件通常需要承受重要的机械负载，因此需要足够的稳定性和强度。
在传统的设计过程中，设计师通常需要进行大量试验和测试才能确定最佳设计，这不仅增加了时间和成本，而且其结果也难以对复杂结构进行优化。
而采用拓扑优化设计的方法，可以直接使用计算机模拟各种不同材料、结构类型和负载条件等设计方案在不同的约束条件下的性能，从而得到优秀的设计方案。
另外一个优点是拓扑优化设计可以根据零件的实际使用条件和要求进行设计。
航空发动机的零件需要在高温和高压力的环境下工作，因此需要选择能够在这种环境下工作的材料。
拓扑优化设计可以通过优化材料组合和结构设计，从而减少材料的重量和成本，同时提高性能和寿命。
拓扑优化设计的应用拓扑优化设计的应用范围很广，已在航空航天、汽车、机械、工业设计等领域得到了广泛应用。
在航空发动机的应用中，拓扑优化设计可以用于优化各种零件的结构，如叶轮、涡轮等。
例如，对于飞机发动机叶轮的设计，可以通过拓扑优化设计来优化叶轮中间的孔洞结构，增强叶轮的强度和稳定性。
基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计
５２
计 算 机 辅 助 工 程
２００８丘
０ 引 言
１／４局部 结构 ．在该模 型结 构分 析 中 ，根 据 等效 刚度 原则 将桁 架结构 简 化 为弹 簧单 元 ，将 整 体分 析 得 到
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍ ｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａｎ ｅｎｇｉｎｅ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｏｆ ｉｔｓ ｌｏ— ｃａ１ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｓｓｅｍ ｂｌｙ ａｃｃｏｒｄ－ ｉｎｇ ｔｏ ｅｑｕａｌ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｓｅｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｄｏｎｅ ｏｎ ｓｔｒｕ ｃｔｕｒｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｂｙ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕ ｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＴＯＳＣＡ ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｄｏｎｅ，ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｕｐｄａｔｅ ｓｔｒｕ ｃｔｕｒ－ ａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｅａｃｈ ｒｏｕｎｄ ｏｆ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔｏｐｐｅｄ ｉｆ ｔｈｅ ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｍｅｔ． Ｆｉｌｔｅｒ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｉｌｉｔｙ—ｂａｓｅｄ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ａｒｅ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕ ｃｔｕｒａｌ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐ— ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｅｌｉｍ ｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｔｈｅ ｃｏｍ ｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｍ ａｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ ｓｕｐｐｏｒｔ；ｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｓｔｒｕ ｃｔｕｒｅ；ｓｔｒｕ ｃｔｕｒａｌ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ；ｃｈｅｃｋｅｒｂｏａｒｄ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ＴＯＳＣＡ
基于拓扑优化的发动机支架设计
基于拓扑优化的发动机支架设计发表时间：2009-8-11 马媛媛康黎云来源：Altair关键字：拓扑优化OptiStruct结构设计发动机支架信息化应用调查我要找茬在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本在发动机支架设计中运用拓扑优化方法，改善发动机支架结构，保证支架强度和模态的同时降低重量，为CAD设计工程师指明设计方向。
1 概述发动机支架连接悬置和发动机，有模态和强度要求。
由于发动机悬置系统的模态频率在25Hz以下，与发动机（含支架）比较起来相差太大，因此通常将发动机当作刚体。
并且为了让发动机支架不在发动机点火激励的影响下产生共振，以直列四缸发动机为例，大多数设计公司都要求支架的1阶模态频率高于发动机额定转速下的4谐次频率的20%~30%，即如果发动机额定转速为6000rpm，那么支架的1阶模态频率就要高于480Hz。
支架强度要求在承受发动机自重一定倍数的载荷条件下不发生破坏。
在发动机支架设计中，因为比较苛刻的限制条件，容易造成支架或者“过软”，或者“过重”等问题。
拓扑优化技术能够很好的解决这个问题，通过合理的材料分布，得到既轻又满足设计要求的结构，为CAD设计人员指明设计方向。
以一款发动机右支架设计为例验证这项技术的优越性。
2 原始结构模态和强度分析建立发动机有限元模型；设置材料卡片；设置分析工况；根据分析要求评价分析结果。
2.1 有限元模型用HyperMesh前处理器建立有限元模型，包括发动机支架本体和与支架相连的铝结构支架。
分析使用材料和单元信息如图1所示。
图1 有限元模型信息2.2 工况设置发动机右支架模态和强度分析包括1个约束模态工况和4个集中载荷工况，所有工况均约束悬置连接端的3个螺栓孔，边界条件见图2。
图2 工况边界条件2.3 分析结果和评价运行OptiStruct求解器进行分析，直接调用HyperView查看结果。
结果和评价见表1。
5个工况的结果均达不到目标要求，必须改进结构。
新型航空发动机的各部结构设计及性能研究
新型航空发动机的各部结构设计及性能研究随着科技的不断发展，人类的交通方式也在不断地升级和完善。
航空技术的发展不仅加强了互联互通的联系，还为人们带来了更加便捷和高效的出行方式。
而航空发动机则是飞机的核心部件之一，它的性能将直接影响到飞机的飞行速度和安全性能。
本文将深入探讨新型航空发动机的各部结构设计及性能研究。
一、转子系统的结构设计和材料选择转子系统是新型航空发动机的核心部件之一，它的性能将直接决定发动机的输出功率和寿命。
转子通常由压气机转子和涡轮转子组成。
在结构设计方面，目前主要采用的是被动叶栅技术和主动叶栅技术。
被动叶栅技术通过优化叶片的弯曲和扭曲，来提高叶栅的效率和减小风阻。
而主动叶栅技术则利用电子控制系统对叶片的角度进行调整，以实现更加灵活和精确的控制。
材料方面，随着高强度合金材料和复合材料的不断研发，它们正在逐步取代传统的钢铁材料。
这些材料不仅具有更高的强度和硬度，还可以有效地减轻转子的重量，并提高其耐磨蚀性和耐高温性。
二、燃烧系统的结构设计和燃料选择燃烧系统是航空发动机中许多复杂的过程之一。
燃烧过程对于提高发动机的效率和减少排放有着关键作用。
目前的燃烧系统主要分为传统的喷注式燃烧器和新型的旋流式燃烧器。
传统的喷注式燃烧器是一种通过喷射燃料来实现燃烧的技术。
这种技术能够实现较高的热效率和低的烟气排放，但是由于燃烧的不均匀性和喷嘴的磨损，会导致发动机的寿命缩短和运行成本的增加。
而旋流式燃烧器则是一种新型的燃烧技术。
其通过将空气和燃料沿不同方向旋转，来实现更加均匀和高效的燃烧。
旋流式燃烧器不仅能够提高发动机的效率，还能有效地降低排放和噪音。
在燃料选择方面，航空发动机通常采用的是煤油和生物燃料。
煤油是一种高能量密度的燃料，但是其排放和供应链问题一直是航空工业所面临的挑战。
生物燃料则是一种更加环保和可持续的燃料，但是其生产成本和供应量也是目前所面临的问题之一。
三、散热系统的结构设计和材料选择散热系统是航空发动机中另一个非常重要的部分。
基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计
基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计一、什么是基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计，指在发动机支架设计过程中，利用结构拓扑优化方法来达到轻量化目标。
结构拓扑优化是一种不需要依赖于传统设计流程的全新优化思想，它通过改变系统的拓扑结构，将系统的负载传递路径与结构形式进行优化，从而提高结构性能。
二、基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计具体步骤1. 确定发动机支架设计目标：确定发动机支架轻量化设计的总体目标，明确发动机支架轻量化设计的各项指标要求，如结构尺寸、结构强度、结构稳定性等。
2. 建立结构拓扑优化模型：根据发动机支架设计要求，建立结构拓扑优化模型，包括设计变量的定义、目标函数的定义、约束条件的定义等。
3. 对结构拓扑优化模型进行求解：使用计算机优化技术求解结构拓扑优化模型，得出结构拓扑优化方案。
4. 评估优化方案：评估优化方案的结构可靠性，进行有限元分析，以确保优化方案的结构强度满足设计要求。
5. 验证优化方案：将优化方案转化成图纸，并根据图纸制作发动机支架试件，进行真实性验证，确保发动机支架轻量化设计的可行性。
三、基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计优势1. 提高结构可靠性：基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计，可以改变系统的拓扑结构，改变负载传递路径，提高结构的可靠性，减少传统发动机支架设计时的结构裂纹。
2. 提高结构稳定性：基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计，可以改变系统的拓扑结构，提高结构的稳定性，减少传统发动机支架设计时的许多不必要的材料消耗，从而达到轻量化的目的。
3. 减少材料消耗：基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计，可以改变系统的拓扑结构，减少材料消耗，从而达到轻量化的目的。
4. 提高结构可伸缩性：基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计，可以改变系统的拓扑结构，提高结构的可伸缩性，减少传统发动机支架设计时的许多不必要的材料消耗，从而达到轻量化的目的。
航空发动机结构设计分析
航空发动机结构设计分析作者：胡佳锐来源：《中国科技博览》2018年第31期[摘要]本文针对航空发动机结构设计展开分析，思考了航空发动机结构设计的具体的要求和具体的思路，并针对航空发动机结构设计的重点工作进行了分析和总结，供今后参考。
[关键词]航空发动机，结构设计中图分类号：V235.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0273-01前言随着我国航空事业的发展和进步，航空发动机结构设计也越来越重要，我们必须要提高航空发动机结构设计的质量，才能够更好的提升航空发动机的使用效果。
1、航空发动机发展概述由于航空发动机的高技术、高投入、长周期、高风险等特点，行业进入门槛很高，全球范围内航空发动机经过多年的发展，已呈现出典型、明显的寡头垄断格局。
世界航空发动机发展上百年来，经历了诸多技术突破和行业变革，从军事到民用，航空发动机的发展取得了长足进步，活塞、涡轮、冲压等发动机相继问世，其中燃气涡轮发动机成为当前应用最广泛的航空发动机。
目前，世界主要国家的航空发动机的发展已相当成熟，其发展现状、趋势及发展经验，对我国航空发动机的发展具有重要的参考和借鉴意义。
2、先进航空发动机关键设计制造技术发展现状与趋势2.1 轻量化、整体化新型冷却结构件设计制造技术2.1.1 整体叶盘设计制造技术整体叶盘是新一代航空发动机实现结构创新与技术跨越的关键部件，通过将传统结构的叶片和轮盘设计成整体结构，省去传统连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置，结构重量减轻、零件数减少，避免了榫头的气流损失，使发动机整体结构大为简化，推重比和可靠性明显提高。
在第四代战斗机的动力装置推重比10发动机F119和EJ200上，风扇、压气机和涡轮采用整体叶盘结构，使发动机重量减轻20%～30%，效率提高5%～10%，零件数量减少50%以上。
目前，整体叶盘的制造方法主要有：电子束焊接法；扩散连接法；线性摩擦焊接法；五坐标数控铣削加工或电解加工法；锻接法；热等静压法等。
航空航天结构拓扑优化方法的教学与实践研究
航空航天结构拓扑优化方法的教学与实践研究1. 引言1.1 研究背景航空航天结构拓扑优化方法是现代航空航天领域中一项重要的研究内容，随着航空航天科技的不断发展和进步，对航空航天结构的轻量化、强度优化和性能提升的需求也越来越迫切。
航空航天结构拓扑优化方法的研究背景可以追溯到上世纪70年代，当时工程师们开始意识到通过优化结构的拓扑形态，可以有效减少结构的重量，提高结构的性能。
在传统的航空航天结构设计中，工程师们往往是通过经验和试验进行设计的，这种方式存在着效率低、成本高和设计质量不稳定等问题。
而拓扑优化方法则可以通过数学模型和优化算法，找到最优的结构形态，从而实现结构的轻量化和性能提升。
在当今航空航天工业中，拓扑优化方法已经成为一项非常重要的技术手段，被广泛应用于飞机、卫星、风力发电机等多个领域。
深入研究航空航天结构拓扑优化方法，探索其在实践中的应用，对于提高航空航天产品的竞争力和技术水平具有重要意义。
通过对研究背景的分析，可以为后续的研究工作提供必要的理论支持和实践指导。
1.2 研究意义航空航天结构拓扑优化方法的研究具有重要的意义。
航空航天领域的结构设计和优化对于飞行器的性能、安全性和经济性具有至关重要的影响。
采用拓扑优化方法可以通过调整结构的形状和分布，实现结构的最优设计，提高结构的强度和刚度，同时减轻结构的重量，从而提高飞行器的性能和效率。
航空航天领域的发展需要不断提高工程设计的效率和精度。
传统的结构设计方法需要大量的人力、物力和时间，而拓扑优化方法可以通过计算机仿真和优化算法来实现自动化设计，大大缩短设计周期、降低设计成本，并且可以在设计的早期阶段就对结构进行全面的优化，提高设计的准确性和可靠性。
航空航天结构拓扑优化方法的研究不仅能够促进航空航天领域的技术创新和发展，还可以为其他领域的结构设计提供借鉴和参考。
通过深入研究航空航天结构拓扑优化方法，可以为工程设计提供新的思路和方法，推动结构优化技术的进步，为工程领域的发展做出贡献。
基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计
基于结构拓扑优化方法的发动机支架轻量化设计作者：温世杰龙凯来源：《计算机辅助工程》2008年第04期摘要：为实现某发动机支架轻量化设计，在支架总成整体结构有限元分析的基础上，运用等效刚度原则建立支架局部有限元模型，得到不同工况下的支架位移分布结果. 基于TOSCA 软件，通过提取结构分析结果对支架结构拓扑优化模型进行敏度分析并形成优化模型列式.优化求解后，在每轮循环迭代中将新的单元密度值重新赋予结构模型，直至满足预先给定的收敛判定条件；设置过滤半径和各类制造加工约束，消除结构拓扑优化中的数值不稳定性问题，改善优化结果的可加工性. 对优化前后的计算结果进行对比分析.关键词：发动机支架；轻量化设计；连续体结构；结构拓扑优化；变密度法；棋盘格现象；有限元分析； TOSCA中图分类号：TK422.4；O241.82文献标志码：A0 引言自BENDSOE等［1］首次提出连续体结构拓扑优化概念和基于均匀化理论的拓扑优化方法——均匀化法以来，连续体结构拓扑优化方法就被公认为结构优化研究领域的热点之一.目前，随着结构拓扑优化理论研究的逐步深入［2］，以及一些商品化软件拓扑优化功能的实现，拓扑优化的应用研究也逐步展开.在对结构优化设计要求较高和对产品重量要求苛刻的行业，如微机电系统、车辆和发动机等行业［3-7］，拓扑优化技术体现出强大优势并正发挥巨大的作用.本文以某发动机支架为研究对象，在多工况结构分析的基础上，基于TOSCA软件建立结构拓扑优化模型，设置过滤半径和各类制造加工约束，得到清晰且满足工程约束性要求的结构拓扑优化结果.通过对比优化前后结构分析结果，证明单元变密度结构拓扑优化方法在发动机支架结构优化设计上的可行性和有效性.1 发动机支架多工况结构分析某发动机支架总成结构由起悬挂作用的空间桁架和支架主体组成，其中支架主体结构由2根纵向工字梁和4根板状横梁组成.根据结构特点，支架主体结构采用实体单元离散，桁架结构采用空间杆单元模拟，得到的整体有限元模型见图1.模型共包括189 410个节点，148 536个六面体实体单元，12个杆单元.通常，由于优化需进行多次结构分析迭代至收敛，若采用全模型进行优化分析，则将导致分析计算量过大.鉴于支架主体结构的重复性特点，在分析与优化建模中采用如图2所示的1/4局部结构.在该模型结构分析中，根据等效刚度原则将桁架结构简化为弹簧单元，将整体分析得到的位移值施加到分离体连接面上，选取的结构和边界条件采用各横梁中相对较恶劣的情况.发动机在实际工作状况中产生的冲力反作用于支架上，反作用力处于图2所示垂直向上与y向夹角0～8°范围内，这里极限工况1的作用力夹角为0°，极限工况2的作用力夹角为8°，轴承座载荷分布为在120°范围内余弦函数的形式.这两种不同工况下的位移分布结果见图3.2 发动机支架拓扑优化设计2.1 单元变密度结构拓扑优化理论与模型建立在常见的单元变密度结构拓扑优化理论中，通常以单元相对密度为设计变量，材料弹性模量与密度变量之间满足假设的函数关系.常见的插值模型有固体各向同性惩罚微结构模型(Solid Isotropic Microstructures with Penalization, SIMP)和材料属性的有理近似模型(Rational Approximation of Material Properties, RAMP)，两种模型均通过增大惩罚因子数值对中间密度值进行惩罚，使之向0～1状况靠近，从而减少中间材料的出现.以SIMP插值模型为例，弹性模量2.2 支架结构拓扑优化常见问题设置与结果分析支架结构拓扑优化模型的建立采用TOSCA完成.由于TOSCA软件本身不进行结构分析，而是通过提取商品化结构分析软件（如MSC Nastran）的结构分析结果(如单元应变能)进行敏度分析并形成优化模型列式，在优化求解后将新的单元密度值重新赋予结构模型并进入下一轮循环迭代，直至满足预先给定的收敛判定条件.基于上述模式的拓扑优化流程见图4.结构拓扑优化模型建立首先需要指定设计区域，即弹性模量可变区域内的单元.如图2所示，支架两端的工字梁结构、安装轴承孔以及起连接紧固作用的螺栓孔等部位为完成结构功能要求的非设计区域，而其余部分均设定为设计区域.为增强结构拓扑优化结果的可制造加工性，基于数字图像处理技术，设定过滤半径(filter radius)抑制棋盘格现象和消除网格依赖性等数值不稳定性问题.［8］这里过滤半径值为平均单元尺寸的2.0倍.在8°夹角推力作用下，为保证载荷不对称情况下优化结果具有对称性，可设置平面对称性约束(plane symmetry constraint)和与对称面平行的一致性约束(stamp constraint).［9］ 2种不同载荷工况分别优化迭代至24步和25步收敛，得到的结构拓扑优化结果见图5.由图5可知，不同夹角工况下的拓扑优化结果类似，其原因在于载荷作用位置和方向差别较小，最佳传力路径几乎一致.在此情况下，多工况加权目标函数中权因子分配对优化结果的影响不大，可省略多工况下拓扑优化计算.利用优化模型设置的各类制造加工性约束，能进一步限制设计变量空间的搜索范围，得到满足设计要求和制造工艺要求的优化结果.由于有限单元离散性特点，使得结构拓扑优化边界通常出现锯齿形边界，为得到较平滑的优化结果，采用TOSCA Smooth模块对结构拓扑优化结果进行平滑处理，得到平滑后的优化结果见图6.由图6可见，经过平滑处理后的拓扑优化结果边界光滑，局部特征如圆角、倒角等细微特征均有所体现.根据上述拓扑优化结果，对支架重新建模、分网和分析计算，两种不同载荷工况下的支架优化前后最大位移结果见表1.由表1可知，优化结构在各工况下的最大变形值下降程度较小，相对于初始结构设计方案，在保持体积大幅削减的情况下满足结构设计刚度.表 1 支架优化前后最大位移值对比mm0°工况最大位移8°工况最大位移初始结构0.710.71最优结构1.101.103 结论在整体模型结构分析的基础上，采用局部结构有限元模型适当减少结构分析计算量.优化模型中各类制造加工约束条件的设定，得到满足制造工艺要求的优化结果.平滑后的拓扑优化结果边界光滑、清晰.通过优化前后结构分析对比可知，基于单元变密度结构拓扑优化方法能有效进行发动机支架轻量化设计，从而避免传统结构设计方法的盲目性.在实际的支架结构拓扑优化中，还需要考虑强度、模态等方面的要求.但在目前的通用化优化软件中，除HyperWorks optistruct等具有满足应力约束的拓扑优化功能外，大多数商用化软件（如TOSCA）尚无此项功能.同时，即使在概念设计阶段未考虑到强度约束，在精细设计阶段中，采用形状优化或尺寸优化的方式也可以考虑到.由于本文着重论述结构拓扑优化方法在发动机支架设计中的应用，故而未考虑强度约束.参考文献：［1］ BENDSOE M P, KIKUCHI N. Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method［J］. Comput Methods in Appl Mech & Eng, 1988, 71(2): 197-224.［2］罗震, 陈立平, 黄玉盈, 等. 连续体结构的拓扑优化设计［J］. 力学进展, 2004, 34(4): 463-476.［3］王振海, 张卫红. 柔性结构拓扑优化设计发展概括［J］. 机械设计, 2004, 21(3): 1-4.［4］龙凯, 覃文洁, 左正兴. 基于拓扑优化方法的牵引车车架优化设计［J］. 机械设计, 2007, 24(6): 52-54.［5］吴铭, 陈仙风. 拓扑优化技术在汽车零部件设计中的应用［J］. 计算机辅助工程, 2006, 15(S1): 177-179.［6］郝志勇, 贾维新, 郭磊. 拓扑优化在单缸机缸体轻量化设计中的应用［J］. 江苏大学学报, 2006, 27(4): 306-309.［7］黄国宁, 陈海, 霍应元. MSC Nastran优化功能在结构强度设计中的应用［J］. 计算机辅助工程, 2006, 15(S1): 50-52.［8］ SIGMUND O. A 99 line topology optimization code written in Matlab［J］. Structut Multidisciplinary Optimization, 2001, 21(2): 120-127.［9］陈义保, 罗震. 基于制造工艺约束的结构拓扑优化设计［J］. 华中科技大学学报, 2006, 34(8): 77-79.(编辑于杰)。
拓扑优化技术在飞机发动机吊挂结构设计中的应用
拓扑优化技术在飞机发动机吊挂结构设计中的应用Application of Topology Optimization Technology in Aircraft Engine Pylon Design寇延清孟兆康朱胜利（中航工业一飞院西安710089）摘要：为了满足飞机结构设计周期短、重量指标要求高的问题，在飞机发动机吊挂设计过程中，利用拓扑优化技术对该结构进行优化设计。
在结构设计过程中利用拓扑优化得到一种传力直接，重量较轻的结构形式。
最终优化结果表明，采用拓扑优化技术能够大大减少设计周期，并且在满足设计要求的前提下，实现飞机结构减重。
关键词：飞机结构吊挂拓扑优化Abstract：In order to meet the short aircraft structure design cycle, weight indicator demanding questions. This paper use topology optimization to optimize the structure in the design process of aircraft engine pylon. In the design process, topology optimization is used for getting a direct force transmission, lightweight structure. The final optimization result shows that using topology optimization technology can significantly reduce the design cycle, and also can reduce the aircraft structure weight in the premise to meet the design requirements.Key words: Aircraft, Structure, Pylon, Topology Optimization1 概述长期以来，飞机结构设计依靠传统设计经验以及各种试验数据的累积，研制周期长、成本高，无法满足客户对研制周期及成本控制的要求。
航空发动机拓扑优化设计研究
航空发动机拓扑优化设计研究航空发动机是现代飞行器的核心组成部分，其设计优化对于提升飞机性能和降低运行成本具有重要作用。
而在航空发动机的设计中，拓扑优化技术是一种重要的手段，可以实现精简优化的设计方案，提高设计效率和性能。
1、航空发动机的拓扑优化设计航空发动机是复杂的机械系统，其设计需要考虑各种因素，包括力学性能、热动力性能、耐久性和可靠性等。
而拓扑优化设计是一种实现最优化评价的方法，可以在满足所有设计要求的基础上，以最小的材料和重量来设计产品。
这种设计方法通过对结构体系的拓扑形态进行优化，去除不必要的材料和减少结构重量，提高结构的强度和刚度。
拓扑优化设计的核心思想是将整个结构分解成不同的体积元素，然后确定每个体积元素的位置和尺寸，从而实现对结构整体和细节的优化。
在航空发动机的设计中，拓扑优化技术可以用于优化发动机叶片、涡轮、进气道、燃烧室和喷气管等具有重要机械作用的部件。
2、拓扑优化设计方法的应用在航空发动机的拓扑优化设计中，可以采用不同的拓扑优化设计方法，包括拓扑优化算法、基于优化模拟的拓扑优化和混合优化算法等。
其中，拓扑优化算法是一种基于材料密度的拓扑优化方法，能够实现结构的重量降低和成本降低。
该方法采用有限元法和梯度优化算法来确定结构的密度分布，通过对材料密度的调整来实现结构的优化。
通过设计变量、约束条件和目标函数的设置，可以精确控制结构的不同性能参数。
另外，基于优化模拟的拓扑优化是一种基于数值优化的拓扑优化方法，该方法采用反演技术和近似模型优化技术，实现对结构的优化。
这种方法在考虑结构的多种参数的同时，还可以对结构的不同性能要求进行优化，适用于高度复杂的结构系统的优化。
3、拓扑优化设计的优点航空发动机的拓扑优化设计可以实现结构的纤细化和优化，减轻整体重量，提高性能，降低运行成本。
其优点如下：（1）优化结构强度和重量比，提高结构的生产效率和成本效率；（2）增强结构的整体性能和稳定性，提高结构的耐久性和可靠性；（3）拓展结构的设计空间和功能空间，提高结构的适应性和灵活性。
12_梁江波_基于HyperWorks发动机支架的拓扑优化设计
基于HyperWorks发动机支架的拓扑优化设计Topology optimization design for enginebracket based on Hyperworks梁江波（陕西重型汽车有限公司陕西西安710200）摘要: 介绍了拓扑优化的设计思想和方法，利用通用有限元分析和优化软件HyperWorks，结合发动机支架的结构、约束、受力等特点，对其进行了有限元分析和结构拓扑优化，并在优化基础上进行了改进设计。
基于有限元法的结构分析和拓扑优化，能在产品开发阶段主动寻求最优方案，对提高产品质量、缩短设计周期有重要作用。
关键词: 拓扑优化有限元分析发动机支架HyperWorks 结构分析Abstract: This paper introduces the design philosophy and method of topology optimization, and the finite element analysis and topology optimization design for the engine bracket of a truck were performed with HyperWorks，in which the characteristics of structure，constraints, and forces were considered．The improved design for the engine bracket structure was then achieved on the basis of the optimization．The structural analysis and topology optimization based on finite element method are helpful to get the optimal scheme in the developing stage of products，and have important significance in shortening the design period and improving the product quality．Key words：topology optimization；finite element anylysis；engine bracket；HyperWorks；structure analysis1 引言结构拓扑优化又称结构布局优化，是一种根据载荷、约束及优化目标寻求结构材料最佳分配的优化方法。
先进航空发动机的结构设计与优化研究
先进航空发动机的结构设计与优化研究航空业在近年来的飞速发展中，先进航空发动机扮演着至关重要的角色。
而在发动机发展的进程中，不断的结构设计与优化研究起着至关重要的作用，因为一款高效而可靠的先进发动机的推出，必须依靠工程师们的持续不断的设计与优化。
一、先进航空发动机的结构设计航空发动机的结构设计可以分为两大部分：燃烧室和涡轮机部分。
1. 燃烧室设计燃烧室是航空发动机中的一个重要部分，它负责将燃料和空气混合并燃烧，带动高温气体流过涡轮机进而驱动飞机。
因此，在燃烧室的设计过程中，各种复杂的流动和反应过程需要充分考虑。
在燃烧室的设计过程中，需要进行三维非定常流动的数值模拟，以确定相对位置尺度效应和涡轮前沿叶栅的流场。
通过采用“快速氧化”燃烧技术，可以使混合气快速燃烧，从而产生高压高温气体。
同时，还需要采用特定的涡轮放置策略和冷却技术，以保证燃烧室的稳定性和耐久性。
2. 涡轮机部分设计涡轮机是航空发动机的另一个重要组成部分，它们被设计成能够乘客安全舒适的地飞行数小时，并通过创新的涡轮机设计间接提高机体的燃烧效率。
因此，涡轮机的设计对发动机整体性能的影响很大。
在涡轮机的设计过程中，需要采用“流体-结构耦合”方法将两者紧密耦合，以关注涡轮机的动力学响应和稳定性。
调整转子与静子之间的轴向距离和横向距离可以帮助改善发动机切换/进出速度的过渡，从而提高效率并减少噪声。
二、先进航空发动机的优化研究先进航空发动机的结构设计是一个复杂而缓慢的过程，但是优化研究可以帮助加速这一过程。
优化研究可以采用各种算法和方法，以确定最佳的设计参数，从而提高发动机的性能和效率。
1. 效率优化发动机效率是优化研究的主要目标之一。
通过调整燃烧室和涡轮机的参数，可以减少能量和热量的损失，从而提高发动机的效率。
此外，采用降低阻力和各种减轻质量的方法也可以提高发动机的效率。
2. 节能优化随着全球能源危机的日益加剧，航空发动机的节能优化已经成为一个研究的热点。
基于结构拓扑优化设计算法的航空发动机的研究
基于结构拓扑优化设计算法的航空发动机的研究一、引言在航空工业中，发动机是飞机最重要的部分之一。
航空发动机的性能直接关系到飞机的飞行效率和安全性。
因此，航空发动机的设计非常重要，必须采用高效的算法和优化模型。
本文将介绍一种基于结构拓扑优化设计算法的航空发动机研究，以提高其性能和降低其重量。
二、航空发动机的结构航空发动机通常由以下部分组成：进气道、压气机、燃气室、高压涡轮和低压涡轮。
其中，进气道用于将空气引入发动机，压气机将空气压缩，燃气室将燃料喷入，高压涡轮和低压涡轮将气体推向喷管，产生推进力。
发动机的结构需要具有稳定性、强度和刚度，以确保其正常运转。
三、结构优化设计算法结构优化设计算法是减小结构重量、提高结构刚度和耐久性的一种方法。
其主要思想是在满足结构性能和约束条件的前提下，通过调整结构形态、空间结构、材料及其分布等来实现最优化目标。
结构拓扑优化算法是结构优化设计算法中的一种思路，其主要目的是根据载荷不同，将结构的空间位置进行优化，从而减小结构重量，提高结构的效率和可靠性。
四、航空发动机的结构拓扑优化设计算法将结构优化设计算法应用于航空发动机设计中，首先需要选择适当的目标函数和约束条件。
目标函数可以是航空发动机的重量或者总体积，约束条件可以是燃料消耗量、进气口大小等。
然后，应用结构拓扑优化算法来优化结构形态和空间位置。
拓扑优化算法可以通过将结构部件分解成有限元网格进行，将其与其他结构部件组合的过程，从而确定最优结构。
常用的拓扑优化算法有SIMP（密度方法）、MMA（多目标优化算法）和PV（变分法优化算法）等。
五、结构拓扑优化设计算法的应用实例针对某型号航空发动机，本文采用SIMP算法对其进行拓扑优化设计。
首先，将航空发动机的重量设为目标函数，进气口大小、燃料消耗量和构件限制等为约束条件。
然后，应用SIMP算法进行拓扑优化设计，将结构通过有限元网格分解，调整结构的空间位置和形态，最终得到最优设计方案。
拓扑优化设计在航空发动机中的应用
拓扑优化设计在航空发动机中的应用航空发动机作为现代航空产业的核心部件，其性能直接关系到飞行器的安全性、高效性和可靠性，是高科技航空领域的一个重要领域。
拓扑优化设计是近年来新兴的一种设计优化方法，具有快速、高效和精确等优势，在航空发动机设计中的应用越来越广泛。
一、拓扑优化设计的概念和原理拓扑优化设计是一种将拓扑学的思想应用于优化设计中的方法，它是通过对设计域内设计变量进行优化，使结构最佳地形成，以达到最优性能。
其基本原理是通过改变材料的分布来调整结构的形态，以满足设计要求。
优化变量是材料的参数，按照一定的规则进行添加或删除材料，使结构的形态得到优化。
拓扑优化设计的主要目标是优化材料的分布和形态，以满足机械性能和减轻重量，提高效率和降低成本等需求。
其主要优点是可以自动生成多种形态的设计，并在短时间内完成设计，大大提高了设计效率和精度。
二、拓扑优化设计在航空发动机中的应用1. 发动机叶轮设计叶轮作为航空发动机中的核心部件之一，其旋转稳定性和性能对发动机的性能和寿命有着至关重要的影响。
而拓扑优化设计可以通过改变叶片的形状、长度和材料分布等来优化叶片的性能和重量，使得叶轮的结构更加紧凑，构造更加合理，大大提高发动机的性能和寿命。
2. 发动机结构设计航空发动机的结构设计涉及到许多部件的组合和协调，其结构的完整性和稳定性对发动机的性能和安全有着重要的影响。
而拓扑优化设计可以通过优化材料的分布和结构的形状，使得发动机的结构更加坚固和牢固，使得各部分的负载得到合理分布，增强了发动机的可靠性。
3. 发动机散热设计随着航空技术的发展，航空发动机面临的散热问题越来越突出。
而拓扑优化设计可以通过优化散热材料的分布和提供更加合理的散热通路，使得发动机的散热效率得到大大提高，同时还可以优化发动机重量，实现轻量化设计。
三、拓扑优化设计在航空发动机中的发展前景随着航空技术的不断发展和航空市场的不断扩大，航空发动机的设计和制造面临着越来越高的技术要求和市场竞争。
基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计
基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计一体式复合支架是指由多种材料组合而成的支架结构，具有高强度、轻量化、耐腐蚀等优点，被广泛应用于飞机、汽车、船舶等领域。
其中，拓扑优化是一种有效的支架设计方法，可以通过优化结构的形状和材料分布来提高结构的性能。
Inspire是一款基于拓扑优化的设计软件，它可以自动化生成具有优化性能的支架结构，并能够快速进行设计优化。
本文将介绍基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计方法。
1. 支架结构建模首先，需要对支架结构进行建模。
基于实际应用需求，可以确定支架的形状、大小、载荷等设计参数。
在Inspire软件中，可以通过绘制二维或三维草图来建立支架模型。
然后，使用“厚度分析”功能，确定支架结构各部分的厚度。
2. 材料属性设置在支架模型中，需要将不同材料的属性设置好，以便进行拓扑优化。
在Inspire软件中，可以选取多种材料种类，如钢铁、铝合金、碳纤维等。
此外，还需要对材料的物理、力学性能进行设定，如杨氏模量、泊松比、抗拉强度等。
3. 约束条件和载荷设置支架结构的性能受到约束条件和载荷的限制。
在Inspire软件中，可以为支架结构设置约束条件和载荷。
例如，可以设置支架结构固定在某个点或面上，或设置支架结构在特定方向上的移动、扭转或振动。
然后，可以设置支架结构受到的载荷大小和方向。
4. 拓扑优化计算在完成支架模型的建立和参数设定后，即可进行拓扑优化计算。
在Inspire软件中，可以使用拓扑优化算法，自动生成支架结构的优化拓扑形态。
此时，应根据实际需求对拓扑优化算法进行参数设置，以达到更好的优化效果。
5. 结果分析和优化设计完成拓扑优化计算后，需要对优化结果进行分析和设计。
在Inspire软件中，可以查看优化结果的结构形态、材料分布、重量、刚度等性能指标。
然后，可以对优化结果进行设计调整，如调整材料分布、修改结构形态、增加约束条件等，以进一步优化支架结构的性能。
总之，基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计方法，可以有效提高支架结构的性能，具有一定的工程应用价值。
基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计
基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计一体式复合支架是一种结构新颖、性能稳定的支架，可以广泛应用于航空航天、汽车、船舶和医疗器械等领域。
为了提高支架的性能和减轻重量，拓扑优化设计成为了一种重要的方法。
本文将基于Inspire软件，探讨一体式复合支架的拓扑优化设计，以期为相关领域的研究和生产提供有益的参考。
2. 拓扑优化设计原理拓扑优化设计是一种通过改变结构的材料分布来优化结构性能的方法。
其基本原理是将结构划分成许多小单元，在每个小单元内选择合适的材料分布，使得整体结构的性能最优化。
通过不断迭代优化，可以得到最优的结构材料分布方案。
在支架的设计中，拓扑优化设计可通过优化支架的材料分布，减轻结构重量，并提高其稳定性和承载能力。
4. 一体式复合支架的拓扑优化设计（1）建立支架模型我们需要建立一体式复合支架的三维模型。
在建模过程中，需要考虑支架的结构特点和工作条件，合理确定支架的几何形状和尺寸。
根据支架的受力情况，确定支架的边界条件和加载条件，为后续的仿真分析做好准备。
（2）进行仿真分析接下来，需要对建立的支架模型进行仿真分析，获取支架在不同工况下的性能参数。
通过仿真分析，可以了解支架的受力情况、应力分布、变形情况等重要信息，为后续的拓扑优化设计提供依据。
（3）进行拓扑优化设计通过Inspire软件对建立的支架模型进行拓扑优化设计。
在进行拓扑优化设计时，需要根据支架的结构特点和受力情况，合理设置设计参数和约束条件，确定支架的优化目标和性能要求。
通过不断迭代优化，可以得到支架的最优材料分布方案，以实现最优的结构性能和最小的结构重量。
（4）优化结果分析对拓扑优化设计的结果进行分析和验证。
通过对优化结果的详细分析，可以了解支架的优化效果和性能提升情况，为最终的设计方案提供重要的参考信息。
还可以通过仿真分析对优化结果进行验证，确保优化设计的可行性和有效性。
本文围绕一体式复合支架的拓扑优化设计，基于Inspire软件进行深入探讨，提出了一种高效且可行的设计方法，并对其进行了详细的介绍和分析。
基于拓扑优化的某航天产品支架结构设计与试验验证
98２０２０年０４月／ Ａｐｒｉｌ ２０２０echnical ColumnT技术专栏Ａｂｓｔｒａｃｔ：The structural design of an aerospace product bracket was finished based on topology optimization technology, the best transmission path was found and the optimum bracket structure was designed to find the maximum base frequency under the constraint of mass. Finally, the base frequency could satisfy the requirement and the experimental results and simulation results showed good consistency. The design achieved the target of saving time and cost and proved the effectiveness of the method.Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：aerospace product bracket; topology optimization; base frequency; experimental verification摘要：本文利用拓扑优化技术对某航天产品的支架结构进行拓扑寻优，找到了结构最佳传力路径，设计了满足重量要求情况下基频最大的支架结构。
最终产品基频能够满足要求，而且仿真与试验结果呈现较好的一致性，达到了节省研制周期和成本的目的，表明了文中所述方法的合理有效性。
关键词：航天产品支架；拓扑优化；基频；试验验证中图分类号：V414 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2020)02-0098-03基于拓扑优化的某航天产品支架结构设计与试验验证Structural Design of an Aerospace Product Bracket Based on TopologyOptimization and Experimental Verification刘磊，马爱军，刘洪英，彭扬林，石蒙，董睿，赵亚雄，闫利（中国航天员科研训练中心，北京 100094）LIU Lei, MA Ai-jun, LIU Hong-ying, PENG Yang-lin, SHI Meng, DONG Rui, ZHAO Ya-xiong, YAN Li(China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094)前言随着我国载人航天事业的不断发展，越来越多的航天产品需要自主研发与设计。
航空发动机支架结构拓扑设计与分析
航空发动机支架结构拓扑设计与分析为了提高航空发动机支架结构的设计质量，为发动机的正常工作提供稳固的支撑，就需要对支架结构进行拓扑设计分析，进而不断优化支架结构。
本文对拓扑优化理论进行了一定的论述，在此基础上，进一步讨论了发动机支架的拓扑优化，并对设计方案进行了对比分析，进而优选最佳的设计方案，对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。
标签：航空；发动机；支架结构1 前言结构拓扑设计是对结构材料进行最佳分配的一种优化方法，在规定的设计区域内，其通过对载荷、约束以及优化目标等进行对比分析，进而实现结构优化的目的。
随着计算机技术的不断发展，这就为结构拓扑优化提供了设备支持，为其在航空航天、机械以及船舶等多个领域的广泛应用提供了可靠保障。
结构拓扑优化的优势在于其能够在结构形状没有确定的情况下，根据所提供的边界条件和给定的载荷进而确定合理的结构形式，不僅能够将其用于新产品的设计过程中，而且还能对原有产品进行优化设计。
为了提高航空发动机支架的设计质量，确保发动机的正常运行，对当前的支架结构进行拓扑优化设计，进而优选性能优良的支架结构，从而为发动机提供稳固的支撑。
2 拓扑优化理论（1）拓扑优化变密度法。
结构拓扑优化的本质是在规定的涉及区域内寻求最优材料分布的问题并进行求解。
当前连续结构拓扑优化方法中，比较常用的有均匀法、变密度法以及渐进结构优化法等。
本文将采用变密度法对航空发动机支架结构进行拓扑设计分析，通过引入一种假想的、密度值介于0～1之间的材料，进而将支架的连续结构体离散成为有限元的模型。
在设计过程中，设计变量就是每个单元的密度值，进而能够将支架拓扑结构优化的问题转变为单元材料的最优分布问题，从而能够降低设计难度，提高支架的拓扑优化质量。
（2）拓扑优化的设计流程。
本文中的支架结构拓扑优化是通过Nastran平台进行的，其能够大大提高拓扑优化工作效率，并且能够获得良好的拓扑优化结构。
首先，要充分明确航空发动机支架的设计位置，借助三维UG软件建立发动机与飞机机身相连接的几何模型，由于以后的优化设计是建立在该模型的基础上，因此，要对该模型进行系统全面的检查，确保其与实际情况相符；其次，采用Patran软件对支架的结构模型进行前期的预处理，通过优化面板对设计区域、目标函数以及约束条件等进行明确的定义，为更进一步的分析提供支持；最后，再对支架结构进行拓扑优化迭代分析，寻找结构的最优解，其整个拓扑优化设计流程如下图1所示。
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航空发动机支架结构拓扑设计与分析
作者：刘治呈
来源：《山东工业技术》2019年第13期
摘要：为了提高航空发动机支架结构的设计质量，为发动机的正常工作提供稳固的支撑，就需要对支架结构进行拓扑设计分析，进而不断优化支架结构。
本文对拓扑优化理论进行了一定的论述，在此基础上，进一步讨论了发动机支架的拓扑优化，并对设计方案进行了对比分析，进而优选最佳的设计方案，对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。
关键词：航空；发动机；支架结构
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.13.004
1 前言
结构拓扑设计是对结构材料进行最佳分配的一种优化方法，在规定的设计区域内，其通过对载荷、约束以及优化目标等进行对比分析，进而实现结构优化的目的。
随着计算机技术的不断发展，这就为结构拓扑优化提供了设备支持，为其在航空航天、机械以及船舶等多个领域的广泛应用提供了可靠保障。
结构拓扑优化的优势在于其能够在结构形状没有确定的情况下，根据所提供的边界条件和给定的载荷进而确定合理的结构形式，不僅能够将其用于新产品的设计过程中，而且还能对原有产品进行优化设计。
为了提高航空发动机支架的设计质量，确保发动机的正常运行，对当前的支架结构进行拓扑优化设计，进而优选性能优良的支架结构，从而为发动机提供稳固的支撑。
2 拓扑优化理论
（1）拓扑优化变密度法。
结构拓扑优化的本质是在规定的涉及区域内寻求最优材料分布的问题并进行求解。
当前连续结构拓扑优化方法中，比较常用的有均匀法、变密度法以及渐进结构优化法等。
本文将采用变密度法对航空发动机支架结构进行拓扑设计分析，通过引入一种假想的、密度值介于0～1之间的材料，进而将支架的连续结构体离散成为有限元的模型。
在设计过程中，设计变量就是每个单元的密度值，进而能够将支架拓扑结构优化的问题转变为单元材料的最优分布问题，从而能够降低设计难度，提高支架的拓扑优化质量。
（2）拓扑优化的设计流程。
本文中的支架结构拓扑优化是通过Nastran平台进行的，其能够大大提高拓扑优化工作效率，并且能够获得良好的拓扑优化结构。
首先，要充分明确航空发动机支架的设计位置，借助三维UG软件建立发动机与飞机机身相连接的几何模型，由于以后的优化设计是建立在该模型的基础上，因此，要对该模型进行系统全面的检查，确保其与实际情况相符；其次，采用Patran软件对支架的结构模型进行前期的预处理，通过优化面板对设计
区域、目标函数以及约束条件等进行明确的定义，为更进一步的分析提供支持；最后，再对支架结构进行拓扑优化迭代分析，寻找结构的最优解，其整个拓扑优化设计流程如下图1所示。
3 发动机支架的拓扑优化
（1）有限元模型的建立。
通过建立有限元模型能够对发动机支架进行科学合理的离散化，即对其进行网格划分，这就为结构优化分析提供良好的基础。
在保持发动机支架外形轮廓不变的前提下，通过对其进行充填处理，将其转变为横梁结构。
将航空发动机的横梁结构作为拓扑优化的初始结构进行对比分析，采用Patran软件对其进行六面体网格划分处理，进而建立相应的有限元模型。
（2）拓扑优化定义和优化结果显示。
在Patran软件中利用优化面板对所需要进行优化的三要素进行科学合理的定义，即设计区域、目标函数以及约束条件。
根据发动机支架在实际工作过程中所受到的外力大小，对其施加相同大小的载荷，在支架的重心位置处加以800N竖直方向载荷、720N水平方向载荷以及45N·m，同时，为了提高支架的稳定性，还要在支架与飞机发动机安装板的连接处施加一固定约束。
严格按照以上所述的发动机支架工作情况建立相应的拓扑优化模型，在Patran软件的有限元分析过程中，设定的目标函数为结构的最小柔度，进而对规定区域内的每个单元格里的材料密度进行拓扑优化分析。
（3）设计方案。
通过采用变密度法就能得到支架结构的拓扑优化结果-密度等值面分布图，图中应力较大位置处的单元密度相对较高，而应力较小位置处的单元密度相对较低。
但是在实际应用的过程中，支架材料的密度无法做到连续变化，因此，需要对所得到的密度等值面分布图进行一定的人工调整处理，进而能够符合实际情况的要求。
在支架的结构设计中，根据当前支架所采用的结构形式，对拓扑优化结果进行一定的适应性调整，所得到的航空发动机支架设计方案如下图2所示。
4 结语
总而言之，拓扑优化是一种有效的结构概念设计方法，通过将其有效的运用于航空发动机支架结构的设计优化过程中，能够在一定程度上提高发动机支架的设计质量，进而为发动机支架的稳定工作提供可靠保障。
本文对拓扑优化理论进行了一定的介绍，并将其与发动机支架结构的优化设计进行结合，进而对当前的发动机支架结构进行了一定的优化分析，能够在一定程度上改善支架的受力情况，提高其稳定性，为确保发动机正常工作提供牢固的支撑。
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