飞机舵面悬挂支架优化设计探索

飞机舵面悬挂支架优化设计探索
作者：屠友林
来源：《山东工业技术》2015年第17期
（中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210）
摘 ;要：本文初步探索了在飞机舵面悬挂支架结构设计中，采用Optistruct优化软件中的拓扑优化、尺寸优化和形状优化功能，可以快速精确的求得较优的解决方案，能有效的提高设计的效率，同时获得更优的结构设计。

关键词：悬挂支架;拓扑优化;尺寸优化;形状优化
1 引言
在飞机结构中，舵面悬挂支架用于将舵面的气动载荷和惯性载荷传递给主承力结构，往往需要承受较大的集中载荷。

此外，由于气流不稳定或舵面操纵引起的颤振，对悬挂支架疲劳设计提出要求。

同时操纵舵面所需要的做动器液压管路和控制电缆需要通过这些悬挂支架，需要在支架上开口以保证设计通路。

以上这些因素对悬挂支架的设计提出了较高的要求，用常规的经验设计方法往往需要经过多次的迭代，才能设计出较为符合要求的零件。

因此为了获得较轻的结构重量和缩短设计开发时间，需要使用新的设计工具。

2 Optistruct优化软件
Optistruct是专门为产品的概念设计和精细设计开发的结构分析和优化工具，是一种以有限元方法为基础的优化工具，凭借拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化，可以产生精确的设计概念或布局[1]。

它是当今最成熟的也是应用最广泛的优化类软件，国外的汽车部件或整车大都使用该软件进行优化，但是在飞机设计领域还尚未普及。

很大一部分原因在于飞机结构的复杂以及载荷工况-边界条件的难以确定[2]。

但是对于单个零件而言，仍然可以通过简化模型以及加载条件来进行拓扑结构的优化。

并且在此基础之上，采用尺寸和形状优化工具来获得更轻的结构，或者得到更好的刚度强度设计。

3 悬挂支架优化设计
3.1 模型简化
图1所示悬挂支架的简化受力模型，将三维模型载入HyperMesh后抽取中面，整个模型采用壳单元模拟。

铰链点处的集中载荷由耳片处的螺栓组传递给支架，支架与上、下梁缘条各通过8个螺栓连接，梁则用一段“工”字型梁模拟。

支架腹板区域为可设计区域，其余部分为非可设计区域。

3.2 拓扑优化、尺寸优化&形状优化
选取合适的计算参数后进行拓扑优化，得到如图2计算结果，所示为单位密度大于0.5的元素。

在可设计区域内优化后的传力路径非常清晰。

根据上述结果进行尺寸&形状优化，需要在支架传力路径上增加加强筋条。

由于立筋的增加，为了准确模拟耳片与加强筋之间的传力，需将拓扑优化时的单耳片改为双耳片（图3）。

在这一步优化中，以筋条处的典型剖面为例（图4），筋条的高度和厚度以及筋条两边腹板的宽度和厚度都是可设计变量。

其中t1～t3为尺寸设计变量，h3、w1和w2是形状设计变量。

因此本模型中变量的数量很多，各个变量之间对结果存在着复杂的影响关系。

基于最终的优化结果对参数的变化十分敏感，因此尺寸&形状优化需要经过几轮迭代后才能取得一个可信的结论。

当然在尺寸优化中，减少某些设计变量或者将关联的设计变量进行整合有利于计算，同时较少的尺寸变量也便于制造。

如将所有筋条高度、筋条厚度和腹板厚度各自整合为一个变量。

4 几何模型
在尺寸&形状优化这一步计算中，形状优化得出的结论为减轻孔的存在对于零件的刚度有较大的影响。

但是由于悬挂支架腹板必须开口作为系统管路的通道，并且也可以作为安装检修通道，因此保留适当大小的减轻孔是必要的。

将上述支架的优化结果返回到CATIA模型中，针对优化模型中对部分应力较高的区域进行加强，并对应力集中的倒角进行增大，结构如图5（a）所示。

图5（b）为未经优化的仅有系统管路通道开口的零件作为对比。

将此三维数模建立有限元模型，按极限工况计算其变形及应力分布，可得到如图6结果。

如表1所示，当保持两个零件重量基本相等时，在极限载荷下两者的位移基本相同，但是优化零件的最大应力大约为254MPa，而未优化零件的最大应力约为303MPa。

同时由于优化零件有加强筋的存在，能有效提高腹板面的抗失稳性，相对于未优化零件平板型腹板存在明显优势。

5 总结
上述工作展示了拓扑优化、形状优化和尺寸优化等工具在飞机设计领域的初步应用。

这些工具的使用能有效的减少零件的概念实际、详细设计所花费的时间，同时也能取得较好的设计。

但是同时也显示了，完整的边界条件、详细的工况输入、成熟的目标定义对于优化迭代的准确性是非常重要的。

当然，在实际工程应用中，取得最优化的结果往往是不切实际的，也是不实用的。

如何在一个在较大的可行设计空间内能满足性能要求的、较优的设计结果，是一个可行也是具有实际意义的探索方向。

参考文献：
[1]于开平，周传月，谭惠丰等.Hypermesh从入门到精通[M].-北京：科学出版社，2005.
[2]Lars Krog， Alastair Tucker and Gerrit Rollema. Airbus UK Ltd. Airbus UK Ltd Bristol
BS99 7AR.。