机翼翼肋拓扑优化 - 360文档中心

飞机结构拓扑优化方法研究

飞机结构拓扑优化方法研究
李英磊;曹宗杰
【期刊名称】《机械制造》
【年(卷),期】2018(56)7
【摘要】介绍了拓扑优化方法在飞机结构设计中的应用背景,分析了均匀化拓扑优化法、变密度拓扑优化法、渐进结构拓扑优化法、变厚度拓扑优化法、独立连续映射拓扑优化法、水平集函数拓扑优化法等飞机结构的主要拓扑优化方法,同时分析了各种拓扑优化方法的特点.
【总页数】4页(P14-17)
【作者】李英磊;曹宗杰
【作者单位】中国人民解放军空军航空大学航空作战勤务学院长春130022;中国人民解放军空军航空大学航空作战勤务学院长春130022
【正文语种】中文
【中图分类】TH123
【相关文献】
1.太阳能飞机翼肋结构拓扑优化设计
2.基于变密度法的某飞机隔框结构拓扑优化
3.基于HyperWorks的飞机耳片结构拓扑优化设计
4.基于Matlab的飞机机翼结构拓扑优化设计
5.基于遗传算法的飞机机翼结构拓扑优化设计方法
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大展弦比飞翼结构形状_尺寸综合优化设计

2007年10月强度与环境 Oct.2007 第34卷第5期STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.34, No.5大展弦比飞翼结构形状、尺寸综合优化设计王伟杨伟常楠（西北工业大学航空学院，西安 710072）摘要：为了降低无人机机翼的结构重量，对某型大展弦比复合材料飞翼结构进行了形状与尺寸综合优化设计。

在形状优化层次重点考虑主承力元件翼梁的位置，尺寸优化主要考虑各元件的几何尺寸。

采用NASTRAN进行尺寸优化，并将优化结果作为复合形法进行形状优化迭代的根据。

最后对整个结构的优化结果进行了详细有效的分析，可以看出，优化结果符合结构受力特点，减重效果明显。

关键词：大展弦比飞翼；形状优化；尺寸优化；复合形中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1006-3919(2007)05-0049-09Integrate shape/size optimization into a high aspect-ratioflying wing designWANG Wei YANG Wei CHANG Nan(College of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: In order to reduce structural weight of aircraft, in this paper, integrate shape/size optimization was utilized to a high aspect-ratio flying wing structure design. The shape optimization was mainly used to find the optimal locations of the longitudinal wing spars and the size optimization removes the redundant weight on all structural components. To begin with the integrate shape/size optimization, NASTRAN was used in size optimization, and then the results were transfer to the complex methods which were used to dealwith shape variables as the basic of the complex operation. Finally, the results of the optimization were analyzed effectively, it is shown that the optimization results agree with loading conditions and the weight reduction was obvious.Key words: high aspect-ratio flying wing; shape optimization; size optimization; complex method1 引言结构优化设计通常是指在给定结构外形，给定结构各元件的材料和相关载荷以及整个结构的强度、刚度、工艺等要求的条件下，对结构进行整体和元件优化设计。

基于ICM方法的机翼翼肋拓扑优化设计

基于ICM方法的机翼翼肋拓扑优化设计牛磊;孙鹏文;李双荣【摘要】为了实现飞机机翼的轻量化,对翼肋进行三维拓扑优化.基于ICM拓扑优化理论,建立了以重量最小为目标,以应变能为约束的机翼翼肋优化模型;在ABAQUS中优化结构寻求最优应力值,并采用移动渐进算法求解.结果表明,优化后的翼肋体积和重量均显著减少,验证了方法的可行性和有效性.【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】5页(P49-53)【关键词】ICM方法;移动渐进算法;拓扑优化;机翼翼肋【作者】牛磊;孙鹏文;李双荣【作者单位】内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051【正文语种】中文【中图分类】TH120 引言机翼结构主要包括翼梁、长桁、蒙皮和翼肋,翼肋重量占翼盒总重量的8%～12%,因此减轻其重量具有重要的意义[1]。

结构拓扑优化是通过计算材料在设计空间中的分布,模拟传力路径,优化材料布局,实现指定目标的最优化,在机械及航空领域得到了广泛应用。

主要方法有ICM(Independent Continuous and Mapping Method,独立、连续、映射)方法、均匀化方法、变密度方法、进化结构优化方法、水平集方法[2-6]等。

国内外学者在该领域的探索和研究主要有:邱福生[7]等借助ANSYS软件以结构最小柔度为目标函数,以体积为约束函数,对单载荷工况下三维机翼翼盒进行了结构拓扑优化设计。

董瑞星[8]等在MSC.PATRAN平台上二次开发了应力约束全局化的拓扑优化方法,并将该方法应用于翼肋的拓扑优化。

梅莉[9]等采用变密度方法,得到了翼肋大致构形及其挖孔位置,优化了翼肋上杆的截面积和肋板各部分的厚度。

Sid Buchanan[10]等利用工程估算和有限元软件相结合的方法对翼肋进行了拓扑优化。

大展弦比机翼结构拓扑优化研究

大展弦比机翼结构拓扑优化研究刘洋;王富生;岳珠峰【摘要】以六面体固支结构为小构件模型,研究了基本渐进结构优化方法(ESO)在简单结构拓扑优化中的应用,并且把改进的ESO算法应用到大展弦比机翼结构拓扑优化中.结果表明:(1)基本ESO算法在简单拓扑优化中具有算法简单、容易实现的优点;(2)基本ESO算法针对大辰弦比机翼的拓扑优化研究具有一定的局限性,需要进行改进;(3)应用改进后的ESO算法对大展弦比机翼进行拓扑优化可以得到合理的优化结构.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2010(000)008【总页数】3页(P220-222)【关键词】拓扑优化;渐进结构优化方法;大展弦比【作者】刘洋;王富生;岳珠峰【作者单位】西北工业大学工程力学系,西安,710072;西北工业大学工程力学系,西安,710072;西北工业大学工程力学系,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】TH161 引言飞机在结构设计中，飞机质量直接影响着飞机的各项性能，而结构质量的影响更大，机翼作为飞机极其重要的组成部分，其结构的质量轻化关系到整个飞机的各项性能指标。

机翼是飞机的主承力结构，传统的设计过程往往是设计人员凭借其经验或参考以前的型号，给出一个机翼各个元件的位置以及各种元件的尺寸大小，然后通过分析和校核，如果结果不能满足要求，再对给定的值进行修改，重复几次以满足设计要求。

此种方法过程重复繁琐，工作量大，其实际上是把设计安全性当作了一个主要的设计要求，降低了结构重量的要求。

同时使设计过多的依赖于设计人员的经验和判断，缺乏设计的准则与依据。

结构优化作为一门学科分支与实用设计技术最近发展十分迅速，有着明显的减重效果，因此在飞机设计领域中得到了蓬勃的发展[1]。

结构优化一般由设计变量、约束条件与目标函数三要素组成，根据设计变量的不同可以将结构优化分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。

拓扑优化准则是近15 年里逐渐成为学术和工程领域研究的热点之一，以选取结构元件的有无作为设计变量，为0-1 型逻辑变量。

某手掷式无人机机翼结构拓扑优化设计研究

mizes the target with minimum structure weight, takes the air dynamic force computed by Fluent as the load in
put conditions, takes the max displacement, max strain and buckling eigenvalue calculated by Nastran as re
无人机展开的几何外形与几何尺寸如图1及表1 所示,折叠后的无人机如图2所示。
图3某手掷式无人机机翼结构
表2无人机机翼结构材料性能
部位
材料
杨氏模量/ 剪切模量/
MPa
MPa
蒙皮
等效碳纤维复合材料
74/ (kg • mm-3)
摘要：为解决某型手掷式无人机机翼结构重量占比高的问题，采用一种多变量结构拓扑优化设计方法。以结构重量最小为优化目标，以Fluent软件计算的气动力为载荷输入，以Nastran软件计算的结构最大形变、最大应力和屈曲特征值为约束，以机翼结构尺寸为优化变量进行减重优化设计。结构性能仿真结果表明，优化后机翼结构减重21.7%且满足结构安全性能约束要求。可提升该无人机续航时间38%，增加有效载荷278 g。优化后机翼结构尺寸的变化规律也为同类型飞机机翼结构设计提供了参考。关键词：无人机;机翼重量；结构拓扑优化；结构性能仿真中图分类号:V279 文献标识码：A 文章编号：1008-5300(2019)02 -0008 -04
引言
手掷式无人机⑴具有重量轻、体积小、携带方
结构拓扑优化作为一种新兴的优化方法正逐渐应用于机翼结构优化减重领域。文献［2］提出一种渐进结构拓扑优化方法对某复杂机翼结构进行优化设计。

航空器结构优化设计的案例分析

航空器结构优化设计的案例分析在航空领域，航空器的结构设计是一项至关重要的工作。

优化航空器的结构不仅能够提高其性能和安全性，还能降低成本和能耗。

下面我们将通过几个具体的案例来深入探讨航空器结构优化设计的重要性和实现方法。

案例一：机翼结构的优化机翼是航空器产生升力的关键部件，其结构的优化对于提高飞行性能具有重要意义。

在某型客机的设计中，工程师们面临着减轻机翼重量同时保持足够强度和刚度的挑战。

最初的设计采用了传统的金属材料和结构布局，但经过分析发现，这种设计存在重量过大、空气阻力较高的问题。

为了解决这些问题，设计团队采用了先进的复合材料，并对机翼的内部结构进行了重新设计。

他们利用计算机模拟技术，对不同的复合材料铺设方案和结构形式进行了大量的仿真分析。

通过优化纤维的方向和层数，以及内部支撑结构的布局，成功地减轻了机翼的重量，同时提高了其强度和刚度。

此外，为了降低空气阻力，机翼的外形也进行了精细化的设计。

采用了更加流畅的曲线和翼梢小翼等装置，减少了气流的分离和阻力的产生。

经过这些优化措施，该型客机的燃油消耗降低了一定比例，飞行距离和载客量都得到了显著提升。

案例二：机身结构的轻量化设计机身是航空器的主体结构，承载着乘客、货物和各种设备。

在一款新型公务机的设计中，机身结构的轻量化成为了关键目标之一。

传统的机身结构通常采用铝合金材料，但为了进一步减轻重量，设计团队选择了钛合金和碳纤维复合材料的组合。

钛合金具有高强度和良好的耐腐蚀性，而碳纤维复合材料则具有轻质、高强度的特点。

在结构设计方面，采用了整体化的设计理念，减少了零部件的数量和连接点，从而降低了结构的复杂性和重量。

同时，通过优化机身的横截面形状和内部隔框的布局，提高了机身的抗弯和抗扭能力。

为了确保机身结构的安全性，设计团队进行了严格的强度和疲劳试验。

利用先进的测试设备和模拟技术，对机身在各种载荷条件下的响应进行了评估和验证。

经过多次改进和优化，最终实现了机身重量的大幅降低，同时满足了适航标准和安全性要求。

大展弦比机翼翼段气动弹性效应下拓扑优化分析

大展弦比机翼翼段气动弹性效应下拓扑优化分析吕计男;郭力;范学领;陈刚;刘子强【摘要】针对大展弦比机翼,根据巡航飞行状态气动载荷,采用拓扑优化方法进行结构优化及减重设计.机翼气动载荷由CFD/CSD耦合数值计算方法获得,载荷分布考虑了气动弹性变形下载荷大小和分布形式的变化.拓扑优化采用密度法,以结构减重指标为约束,以整体柔度最小为目标,采用商用软件开展分析.采用选择性激光烧结工艺并使用尼龙材料进行3D打印拓扑优化结构,验证了优化后结构的可加工性.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2018(036)006【总页数】5页(P1047-1051)【关键词】气动弹性;拓扑优化;3D打印;低速;CFD/CSD【作者】吕计男;郭力;范学领;陈刚;刘子强【作者单位】中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;西安交通大学航天航空学院,陕西西安 710049;西安交通大学航天航空学院,陕西西安 710049;中国航天空气动力技术研究院,北京 100074【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言低速、大展弦比飞机结构减重是飞机设计中面临的重要问题。

此类飞机往往柔性大，气动力和结构相互作用下气动弹性变形明显。

气动弹性变形使得气动载荷重新分布，气动载荷大小及分布规律与刚性飞机相比变化明显[1-2]。

大展弦比机翼气动载荷作用下几何非线性效应明显[3]，结构刚度受载荷状态影响且结构变形又影响气动力的分布，气动/结构一体化优化成为重要的研究方向[4]。

目前飞机设计主要根据经验来布置机翼的梁和肋的位置，结构的形状和尺寸受制于传统制造技术。

如果取消制造技术的约束，将设计重点转移到根据载荷形式确定结构，去除不需要的材料，将有效提高结构效率，达到减重的最终目标。

结构优化设计中,拓扑优化方法被认为是一种根据给定的设计空间确定结构材料分布的有效的数学方法。

在过去的一段时间内，基于拓扑优化的方法并没有得到有效的应用，其中很重要的一个原因是优化后的结构无法采用传统制造工艺完成或者加工成本过高[5]。

大展弦比飞翼结构拓扑形状与尺寸优化设计

密度法和ＥＳＯ（ＥｖｏｌｕｔｉｏｎａｙｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）方法，并对ＥＳＯ方法进行改
进，使之适合机翼结构的拓扑优化设计优化设计，将复合形法与ＮＡＳＴＲＡＮ的改进的可行方向法相结合，分别优化翼梁的位置和机翼各元件的几何尺寸，两者相互交替，相互嵌套，最终完成了机翼结构的布局优化设计。在整个布局优化设计中，拓扑优化是独立的，形状优化与尺寸优化是相互关联的。第一级优化是第二级优化的基础，第二级优化是第一级优化的修正与发展。通过对大展弦比飞翼结构优化说明，本文所提的两级三层优化方法是可行的和有效的，有着很好的减重效果。关键字：大展弦比飞翼结构，布局优化，拓扑优化，ＥＳＯ，复合形法，
ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｓｏｆｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓ，ｗｅｍａｉｎｌｙｓｏｌｖｅｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｐａｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｅｎｔａｔｗｏ－ｌｅｖｅｌａｐｐｒｏａｃｈｉｎｗｈｉｃｈｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｓｈａｐｅａｎｄｓｉｚｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｃｌｕｄｅｄ．ＩｎｔｈｅｆｉｒｓｔｌｅｖｅｌａｎｉｍｐｒｏｖｅｄＥＳＯ（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｙｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）ａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｄｅｎｓｉｔｙｍｅｔｈｏｄｗｓａｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｎｕｍｂｅｒａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｐａｒｓａｎｄｉｎｔｈｅｓｅｃｏｎｄｏｎｅｈｙｂｒｉｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｍｅｔｈｏｄａｎｄＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｉｚｅｏｆａｌｌｗｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｈａｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎ

219440708_基于Hypersizer_的机翼结构布置优化设计探讨

03科技视界Science & Technology Vision　科普科创直通车Science and technology innovation through train作者简介：曹学强，硕士研究生，工程师，研究方向为民机总体布置和结构强度分析。

▋引言机翼结构设计是飞机总体设计中的重要组成部分，当前大型民用飞机机翼重量约占使用空机重量的20%~30%。

对于民机而言，飞机结构减重对减小轮档油耗、降低运营成本、提升飞机市场竞争力具有重要意义。

当前大型民用飞机机翼多采用双梁多肋式结构布局形式，沿机翼展向布置前、后梁和长桁，翼梁之间布置多个翼肋。

机翼盒段长桁和翼肋的数量直接影响了壁板的承载能力，选择合理的机翼布置参数有利于传递载荷和减轻结构重量。

在飞机初步设计阶段，机翼结构布置的主要设计优化目标是确定最优的长桁间距和肋间距，使得翼盒的结构重量最小。

本文针对大型民用飞机复合材料机翼，采用有限元前处理器Patran 建立了机翼盒段有限元模型，在Nastran 求解器中进行计算，并利用复合材料优化设计与分析软件Hypersizer 对盒段长桁布置进行优化分析，得到最优的长桁间距，并对壁板失效模式进行了分析。

同时，传播相关科学知识。

▋一、Hypersizer布置优化方法1.1　优化原理机翼布置优化设计的难点在于，有限元网格与结构构件的拓扑位置是密切关联的[1]，布置优化过程中，如果改变了长桁的位置，则需要重新建立有限元模型，建模过程耗费大量的时间。

采用Hypersizer 软件进行机翼布置优化设计可解决因长桁位置改变带来的重新建模问题，这是因为Hypersizer 可将Nastran 求解器中的蒙皮Shell 单元定义为加筋壁板单元[2]，加筋壁板单元的优化变量包括了加强筋间距，如图1所示。

在建立翼盒有限元模型时，机翼壁板网格与长桁位置没有关联，网格数量确保计算得到的内力解能够表征该区域的受力情况即可[3]。

基于拓扑和尺寸优化的翼肋类结构设计研究

基于拓扑和尺寸优化的翼肋类结构设计研究一、研究背景随着航空航天技术的不断发展，翼肋类结构在飞机、火箭等领域中扮演着重要的角色。

翼肋类结构设计的优化对于提高飞行器的性能和安全性具有重要意义。

本文基于拓扑和尺寸优化方法，对翼肋类结构进行了深入研究。

二、拓扑优化方法1. 概念拓扑优化是一种对结构形态进行优化的方法，通过对材料分布进行重新排列来实现最佳的性能表现。

2. 实现步骤（1）建立初始模型；（2）设定目标函数和约束条件；（3）使用优化算法生成新的材料分布；（4）评估新材料分布所得到的性能表现；（5）根据评估结果更新材料分布，并重复上述步骤直到满足设计要求。

3. 应用案例利用拓扑优化方法设计出了一种轻量化的飞机翼肋结构，相比传统设计方案减重了20%以上。

该方案在保证强度和刚度的前提下，大幅度降低了整个飞机的重量，提高了飞行性能。

三、尺寸优化方法1. 概念尺寸优化是一种对结构尺寸进行优化的方法，通过对结构各部件的尺寸进行重新分配来实现最佳的性能表现。

2. 实现步骤（1）建立初始模型；（2）设定目标函数和约束条件；（3）使用优化算法生成新的尺寸分配方案；（4）评估新方案所得到的性能表现；（5）根据评估结果更新各部件的尺寸，并重复上述步骤直到满足设计要求。

3. 应用案例利用尺寸优化方法设计出了一种火箭翼肋结构，相比传统设计方案减少了20%以上的材料使用量。

该方案在保证强度和刚度的前提下，降低了整个火箭的重量，提高了发射能力。

四、拓扑和尺寸优化方法结合应用1. 概念拓扑和尺寸优化方法结合应用是一种同时考虑材料分布和各部件尺寸分配的综合优化方法，可以实现更加全面有效地对翼肋类结构进行设计。

2. 实现步骤（1）建立初始模型；（2）设定目标函数和约束条件；（3）使用优化算法生成新的材料分布和各部件尺寸分配方案；（4）评估新方案所得到的性能表现；（5）根据评估结果更新材料分布和各部件尺寸，并重复上述步骤直到满足设计要求。

拓扑优化设计技术在翼肋结构中的应用

拓扑优化设计技术在翼肋结构中的应用作者：中国飞机强度研究所王立凯常亮摘要：将拓扑优化设计技术应用到飞机的翼肋结构中，根据初始数模建立了该结构的拓扑优化模型。

以单元密度为设计变量，材料用量为约束，以结构最小柔顺度为目标函数。

采用有限元软件PATRAN/NASTRAN 的拓扑优化设计模块对该肋结构分别进行了单一工况和多工况情况下的拓扑优化，得到了拓扑形式清晰的设计结果。

关键字：拓扑优化；设计变量；翼肋结构；1 引言飞机的重量直接影响飞机的性能，结构优化可以有效地降低结构重量，目前在飞机结构设计中，主要是靠工程经验结合同类结构布局形式，这一过程很大程度上束缚了设计师设计能力，这种飞机结构设计方式其可拓展空间非常有限，设计“极限”很难突破。

随着飞机性能指标的要求越来越高，面临的新情况是很多新机型设计中没有类似结构参考，如果没有一个合适的初始方案，采用参数优化，或者形状优化进行结构设计，即使进行了充分的优化设计，也不可能得到最佳的结构布局。

实例表明在结构设计初期利用拓扑优化技术可以显著的减轻结构重量，提升设计水平。

本文采用PATRAN/NASTRAN 中的拓扑优化设计模块，利用拓扑优化技术进行飞机翼肋结构优化设计，获得的翼肋设计方案，为后续设计提供了初始方案。

2 拓扑优化数学模型结构拓扑优化自从被提出到现在已经有一百多年的历史，但真正应用到航空领域也不过二十年，目前优化对象主要有桁架结构和平面受力连续体结构。

Benddoe和Sigmund 在1999年证实了变密度法物理意义的存在性，使拓扑优化技术的工程实用性向前迈了一大步。

拓扑优化目前常用的变密度法，它假定了一种密度可以改变的材料，并称之为伪密度，它以连续的密度函数形式显式地表达单元相对密度与材料弹性模量之间的对应关系，这种方法对于各向同性材料，无需引入微结构和附加均匀化过程，通过人为假定相对密度与材料弹性模量之间的关系，将拓扑优化的0-1 组合问题转化为连续变量优化的问题，以单元相对密度（伪密度）为设计变量，以结构最小柔顺度为目标函数，构造优化数学模型。

拓扑优化、尺寸和形状优化方法在航空部件设计中的应用

拓扑优化、尺寸和形状优化方法在航空部件设计中的应用作者：AltairAltair公司的拓扑优化技术很久以来已经在汽车行业获得了非常成功的应用，但是该技术仅仅在2003年空中客车A380——世界上最大的飞机的设计中才展现出其在飞机部件设计中的强大力量。

这种延误的主要原因可以归结为：飞机部件的大尺寸以及飞机设计中非常复杂的边界和载荷条件。

同时，飞机部件主要涉及稳定性设计，而以应变能为基础的拓扑优化技术缺少处理一些屈曲问题的能力。

而拓扑优化与尺寸和形状优化的结合使用则能起到非常好的效果。

这篇文章将详细介绍拓扑优化、尺寸优化和形状优化技术在Airbus A380飞机部件设计中的部分应用。

1．简介在民用航空工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个非常突出的问题，传统的飞机设计思路已经无法满足这种需求，这需要将先进的计算机优化方法集成到全部部件的设计过程中。

在2003年，空中客车公司的供应商BAE SYSTEMS首先应用Altair的优化工具——OptiStruct来设计更轻巧更有效的航空部件。

首批设计的部件包括机翼前缘肋、主翼盒肋、不同类型的机翼后缘支架以及机身门档和机身门交叉肋板。

对于这些部件的优化设计，在很大程度上要考虑到对屈服性能的要求，同时还要考虑应力和刚度方面的要求。

上述这些优化设计均采用了基于有限元的拓扑优化、尺寸优化和形状优化工具，并采用了一种两阶段设计流程。

首先，拓扑优化可以获得一个最佳结构布局——即最佳的载荷路径。

接下来，在这个最优布局的基础上按照真实的设计需求来形成工程设计方案，并应用更仔细的尺寸优化和形状优化工具来优化这个设计方案。

无数汽车工业的例子已经证明：通过这种设计流程可以快速获得满足刚度、应力、振动性能要求的最优化的部件。

针对飞机部件的设计，上述设计流程需要做出一些改变。

飞机部件主要涉及稳定性设计，而一般的拓扑优化技术缺少处理屈曲问题的能力。

因此在A380的部件设计中，第一个阶段的工作是使用传统的基于变形能的拓扑优化方法得到最佳的设计方案。

拓扑优化、尺寸和形状优化方法在航空部件设计中的应用

拓扑优化、尺寸和形状优化方法在航空部件设计中的应用——Altair helps A380 take offAltair Engineering Inc. & 澳汰尔工程软件(上海)有限公司Altair公司的拓扑优化技术很久以来已经在汽车行业获得了非常成功的应用，但是该技术仅仅在2003年空中客车A380——世界上最大的飞机的设计中才展现出其在飞机部件设计中的强大力量。

这种延误的主要原因可以归结为：飞机部件的大尺寸以及飞机设计中非常复杂的边界和载荷条件。

同时，飞机部件主要涉及稳定性设计，而以应变能为基础的拓扑优化技术缺少处理一些屈曲问题的能力。

而拓扑优化与尺寸和形状优化的结合使用则能起到非常好的效果。

这篇文章将详细介绍拓扑优化、尺寸优化和形状优化技术在Airbus A380飞机部件设计中的部分应用。

1．简介在民用航空工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个非常突出的问题，传统的飞机设计思路已经无法满足这种需求，这需要将先进的计算机优化方法集成到全部部件的设计过程中。

在2003年，空中客车公司的供应商BAE SYSTEMS首先应用Altair的优化工具——OptiStruct来设计更轻巧更有效的航空部件。

首批设计的部件包括机翼前缘肋、主翼盒肋、不同类型的机翼后缘支架以及机身门档和机身门交叉肋板。

对于这些部件的优化设计，在很大程度上要考虑到对屈服性能的要求，同时还要考虑应力和刚度方面的要求。

上述这些优化设计均采用了基于有限元的拓扑优化、尺寸优化和形状优化工具，并采用了一种两阶段设计流程。

首先，拓扑优化可以获得一个最佳结构布局——即最佳的载荷路径。

接下来，在这个最优布局的基础上按照真实的设计需求来形成工程设计方案，并应用更仔细的尺寸优化和形状优化工具来优化这个设计方案。

无数汽车工业的例子已经证明：通过这种设计流程可以快速获得满足刚度、应力、振动性能要求的最优化的部件。

针对飞机部件的设计，上述设计流程需要做出一些改变。

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。

9-拓扑优化方法

按某种优化策略和准则从这若干个子设计区域中删除某些单元，用保留下来的单元描述结构的最优拓扑。
四、拓扑优化方法分类
从其物理模型的描述方法上一般分为基结构法(The Ground Structural Method) 均匀化方法(The Homogenization Method) 渐进结构优化方法 (The Evolutionary Structural
一、拓扑优化的历史
拓扑优化的研究是从最具代表性的桁架开始的，拓扑优化理论的解析方法可追溯到由Michel提出的Michel桁架理论。直到1964年Dorn、Gomory、Greenberg等人提出了基结构法，将拓扑优化引入到数值计算领域，使其克服了Michel 桁架理论的局限性，重新使拓扑优化的研究活跃起来。
对于由n个杆件组成的桁架结构，其满应力条件为
Fi Ai
i
i 1, 2,
,n
由此可构造如下的迭代公式
A(k1)
i

(k)
A i
(k)
i
i
i 1, 2,
,n
2. 基于K－T条件的准则法
对于结构优化设计问题：
min f ( X ) X Rn
s.t. gu( X ) 0 u 1,2, , p
结构优化与材料优化
第一节概述第二节结构优化设计的准则法第三节结构的拓扑优化方法第四节功能材料优化设计第五节柔性机构优化设计第六节结构多学科设计优化
第一节概述
结构轻量化，提高有效载荷是飞行器设计者追求的永恒主题。随着计算技术、材料科学、制造技术的飞速发展，传统的设计、制造方法及结构形式已无法满足先进结构性能与功能的要求，独特的服役力学环境对结构设计提出了前所未有的基础科学问题。事实表明，火箭或人造卫星的结构重量每减少一公斤，将获得整体重量减少一百公斤的增量系数；近年来，复合材料，蜂窝层板及泡沫材料等轻质结构由于其抗冲击、减震、吸能、隔音、散热等优越性能而受到普遍的关注，在先进飞行器设计中应用日益广泛, 而这些优异特性的根本在于进行结构优化设计和材料优化设计。

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王晓军，王磊*（北京航空航天大学固体力学研究所，北京100191）一、拓扑优化在航空航天结构中的应用背景随着科学技术尤其是计算机技术的飞速发展，结构优化设计逐渐成为了结构创新设计的重要手段。

一般分为三个层次：尺寸优化、形状优化以及拓扑优化。

其中，拓扑优化因其不依赖初始构型及工程师经验，受到学者以及工程人员的广泛关注。

拓扑优化比尺寸或形状优化具有更显著的节省材料和改进结构性能的技术优势，经过三十余年的快速发展，拓扑优化的研究应用已扩展到许多领域。

拓扑优化本质上具有同时优化材料和结构的能力，这为对结构重量及性能十分敏感的航空航天、汽车等工业领域提供了大幅提升结构性能、挖掘材料潜力的技术基础。

空客公司采用拓扑优化方法对其旗舰产品A350大型客机机翼前缘结构进行优化设计，取得了较初始设计减重20%的显著效果。

此外还结合A380的设计要求，通过选择合适的目标函数和约束条件，提出了基于传统能量法的翼肋拓扑优化设计方法[１]。

近年来，我国航空航天科技事业发展蒸蒸日上，新型飞行器结构系统的轻量化、紧凑性和多功能设计要求必须充分利用结构优化设计技术的最新成果，从基础理论、设计方法和设计平台等不同层面开展创新性基础研究，为我国航空航天事业的跨越式发展提供技术支持[２]。

对于航空航天领域复杂的组合结构，工作环境严峻复杂，技术要求苛刻，要取得合乎工程标准的可信的结构分析结果，需要工程技术人员具有较高的理论素养和实际经验[３]。

二、基础理论知识教学结构拓扑优化涉及的学科领域较多，且应用性强，对学生力学、数学方面的理论知识和有限元、编程等软件的运用能力都有比较高的要求。

只有对理论知识有了深入透彻的理解，在用软件工具处理实际问题时才能信手拈来，得心应手，即便出现问题，也能快速定位出错的位置并进行修改。

三、实际案例应用教学理论知识的学习仅仅是基础，让学生能够应用拓扑优化方法解决工程实际中的结构优化设计问题，才是教学的最终目的，因此必须注重对学生实践能力的锻炼。