OptiStruct拓扑优化技术在飞机结构设计中的应用
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。
拓扑优化方法在结构设计中的应用研究
拓扑优化方法在结构设计中的应用研究随着科技的不断进步，结构设计已经从过去的传统经验主义逐渐走向了科学化与智能化的发展方向。
在这一趋势下，拓扑优化方法成为了一种非常有效的结构设计手段，被广泛应用于航空航天、建筑工程、交通工程等领域。
本文将对拓扑优化方法的基本概念和应用进行详细阐述，并探讨未来在该领域的发展前景。
一、拓扑优化方法的基本概念拓扑优化（Topology Optimization）是一种运用数学优化方法，通过优化材料在结构中的分布以达到最优力学性能的设计方法。
其核心思想是基于有限元分析（FEA）的原理，利用数值计算的方法模拟材料受力、变形过程，从而得到最佳的材料形态和布局。
该方法所涉及的数学理论主要包括：变分法、有限元法、优化理论等。
在结构设计中，变分法、有限元法用于求解状态量，如材料内应力、形变、位移等，而优化理论则被用于求解设计空间中最优的材料分布情况。
在具体应用中，拓扑优化可以分为两种类型：密集型优化和拉伸型优化。
密集型优化是指将设计空间划分成小单元后分别考虑其内部的材料分布情况，根据经验规则或优化理论求解最佳的材料分布；而拉伸型优化则是在边界受到应力或变形限制的情况下，通过优化理论求解最佳网络形状和拓扑结构。
二、拓扑优化方法在结构设计中的应用拓扑优化方法在结构设计中的应用涵盖广泛，尤其在工程领域中有着广泛的应用。
下面将从航空航天、建筑工程和交通工程三个方面介绍其应用。
1. 航空航天在航空航天领域中，拓扑优化技术能够帮助设计轻量化、高强度、高刚度的结构件，从而降低整机的重量和燃料消耗。
例如，利用拓扑优化方法，可将飞机机翼中的钢材部分替换为轻量化材料，如碳纤维。
同时，利用拓扑优化技术，可以设计出更佳的涡轮增压器，以提高发动机的效率，同时减少重量和体积。
2. 建筑工程在建筑工程领域中，拓扑优化技术被应用于建筑结构设计中，可有效降低建筑结构的重量，同时提高结构的强度和刚度。
例如，在大型建筑中，利用拓扑优化可以减少结构材料的使用，同时保持结构的坚固。
拓扑优化设计在航空制造领域的应用
拓扑优化设计在航空制造领域的应用随着科技的不断发展与进步，拓扑优化设计在航空制造领域得到越来越广泛的应用。
它是一种利用计算机模拟方法，对产品的结构进行研究和优化的先进技术，其主要原理是将整个结构分割成无数个小区域，然后通过对每个小区域的分析计算，最终达到整个结构优化的目的。
在航空制造领域中，拓扑优化设计不仅能够优化结构的强度和刚度，同时也能够减轻结构的重量，缩短制造周期，这些都是航空制造过程中非常重要的因素。
一、航空制造中的拓扑优化设计航空制造中的拓扑优化设计主要应用于飞机的结构设计和零部件的制造。
现代飞机结构由许多零部件和结构件组成，其中许多结构件都是非常重要的，并直接关系到航空器的安全性和稳定性。
拓扑优化设计可以通过迭代和优化过程，实现在满足强度、刚度、耐久性等方面的前提下，尽可能地减轻结构的重量，从而达到优化飞机结构的目的。
此外，拓扑优化设计还可以在零部件的制造过程中起到重要的作用。
在传统的制造过程中，设计师通常采用试错法，多次制造和测试，以找到最合适的方案。
这样做不但耗费时间和成本，而且难以取得卓越的效果。
而采用拓扑优化设计技术，则可以使制造过程更加高效和准确。
二、拓扑优化设计在航空制造过程中的优势拓扑优化设计在航空制造过程中有着非常明显的优势，主要表现在以下几个方面：1. 减轻结构重量航空器的设计中，重量是一个非常重要的因素。
拓扑优化设计可以在满足强度、刚度等要求的情况下，尽可能地减轻结构的重量，从而提高飞机的载荷能力和飞行性能。
2. 提高结构强度和刚度拓扑优化设计可以在一定程度上提高飞机结构的强度和刚度，并且通过拓扑优化，结构件的应力分布更加均匀，结构更加稳定和可靠。
3. 缩短制造周期拓扑优化设计可以通过计算机模拟，快速得出最佳的结构设计方案，从而缩短制造周期，加快生产进度。
4. 减少生产成本采用拓扑优化设计，可以考虑并充分利用材料的力学性能，尽可能地减少材料的损耗，从而减少生产成本。
拓扑优化在航天工程中的应用有哪些
拓扑优化在航天工程中的应用有哪些在当今的航天工程领域，技术的不断创新和发展是推动航天事业前进的关键。
其中，拓扑优化作为一种先进的设计方法，正逐渐展现出其在航天工程中的重要价值和广泛应用。
拓扑优化是一种根据给定的约束条件和性能指标，在设计空间内寻求最优材料分布的方法。
简单来说，就是在满足一定要求的前提下，通过数学算法和计算机模拟，找到物体内部材料的最佳布局，从而实现轻量化、高强度、高性能等目标。
在航天工程中，航天器的结构设计至关重要。
航天器需要在极端的环境中工作，承受着巨大的压力、温度变化和宇宙射线等多种因素的影响。
同时，为了降低发射成本和提高有效载荷，轻量化是航天器结构设计的一个重要追求。
拓扑优化在这方面发挥了重要作用。
例如，在卫星结构设计中，通过拓扑优化可以对卫星的框架、太阳能电池板支架等部件进行优化。
传统的设计方法可能会导致结构过于笨重，增加了发射成本和能源消耗。
而利用拓扑优化技术，可以在保证结构强度和稳定性的前提下，去除不必要的材料，实现结构的轻量化。
这样不仅能够降低发射成本，还能提高卫星的在轨运行性能和寿命。
火箭发动机的喷管也是拓扑优化的一个重要应用领域。
喷管需要承受高温、高压的燃气流冲击，同时还要保证良好的推进效率。
通过拓扑优化，可以设计出更加合理的喷管形状和内部结构，减少流动损失，提高发动机的性能。
优化后的喷管能够更好地适应燃烧过程中的复杂流动，提高燃烧效率，从而增加火箭的推力和运载能力。
此外，航天飞行器的热防护系统也可以通过拓扑优化来改进。
在再入大气层的过程中，飞行器会面临极高的温度，热防护系统的性能直接关系到飞行器的安全。
拓扑优化可以帮助设计出更有效的热防护结构，例如优化隔热材料的分布和冷却通道的布局，提高热防护效果，降低飞行器表面的温度，保障飞行器和宇航员的安全。
在航天材料的研发方面，拓扑优化也能提供有价值的指导。
通过模拟不同材料分布和微观结构对性能的影响，可以开发出具有特定性能的新型航天材料。
基于Optistruct的结构静动力拓扑优化设计
{
+,-./01 12：
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$ （ % ） $$ $ " $ $% ! $3 ， ! # 3， …， &
（4）
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& & & & & & & & & & & & & & & & & 航 空 计 算 技 术& & & & & & & & & & & & & & & 第 01 卷
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图 5" 短对边固支矩形板
拓扑优化前先对结构进行模态分析， 可以得到前 ， ! ! 7 !*+ !*&,89 ， ! & 7 &*+ *..&89 ， !* 7 三阶的固有频率 *5+ &-..89。相应的振型图如图 , （ #） （ $） （ %） 所示： 对薄板进行静力和频率双目标拓扑优化， 目标函 （5） 数如式 所示。经过多次尝试把结构划分为 3’ ( .’
’! 算例
’5 3! 平面薄板静力拓扑优化 一个 &$ C &$(( 的薄板， 厚度 3((， 模型如图 3 所 示， 结构的材料参数如下： 弹性模量为 63$$$<D>， 泊松 比为 $5 %3 ， 密度为 &5 EF G 0( 。一条边的两个端点受简 支约束， 对边的中点处有 3$$9 的沿着边方向作用的 集中力。 将薄板划分为几种尺寸不同的单元， 采用不同的 优化约束， 来比较所得到的不同的优化结果。 由于这 是一个比较简单的优化结构， 采用四节点的板单元模 （3） 拟就可以满足其精度要求。优化的数学模型如式 % 所示： 所示。得到的优化结果比较如图 & 、
OptiStruct 推动商用飞机的减重——舱门支撑臂的设计优化
OptiStruct推动商用飞机的减重——舱门支撑臂的设计优化一、概述利用Optistruct的拓扑和形状优化技术，Eurocopter公司为Fairchild Dornier 728飞机开发了一种具有开拓性创新意义的支撑臂设计。
在整个产品设计流程过程中，Eurocopter公司采用结构优化设计技术，使得结构减重效果达到了20%。
二、客户背景Eurocopter公司是EADS（欧洲航空防务及航天公司）下属的全资子公司，EADS是全球三个最大的航天集团之一。
Eurocopter公司设计开发商用和军用直升机，同时参与欧洲空中客车(Airbus)所有机型的舱门和整流罩的开发。
三、挑战由于来自强势客户和业界本身竞争的压力，飞机制造商们正在积极地寻求方法来提高飞机结构的性能和功效。
为了满足项目工期和复杂的、甚至是苛刻的产品设计目标，Eurocopter要求采用分析驱动的设计流程，同时这个设计流程必须以优化设计为中心。
本案例着重讲述这个流程的一个成功应用——开发一种质量更轻的舱门支撑臂。
图1：带支撑臂的Fairchild Dornier 728舱门 图2：支撑臂初始设计四、解决方案Altair OptiStruct 拓扑优化技术最终被采用到Eurocopter 的设计流程中。
这项技术使得Eurocopter能够在考虑产品结构性能和设计目标的情况下，开发设计出满足工程要求的产品，从而改变了以往的先设计，校核，再修改这样一个不断反复的开发流程。
首先采用OptiStruct 拓扑优化获得初始的舱门控制臂设计方案，优化其在三种工况下的刚度，这三种工况分别是：门关闭时，紧急打开时和气阀撞击时。
同时，在优化过程中考虑了铸造拔模方向，以满足制造工艺上的要求。
接下来，在满足所有工况条件和最大许用应力水平的情况下，通过形状和尺寸优化方法来优化加强筋的尺寸大小，以达到进一步降低质量的目的。
图3：设计空间模型五、结果利用OptiStruct, Eurocopter 公司做到了在没有降低结构刚度的基础上，使得支撑臂减重效果达到了20%。
OptiStruct在直升机接头设计中的应用
OptiStruct在直升机接头设计中的应用OptiStruct在直升机接头设计中的应用张桥中航工业直升机设计研究所强度室江西景德镇333001摘要：使用Altair OptiStruct软件对直升机平尾连接接头进行拓扑优化、尺寸优化并施加制造约束、相对变形约束以及钉孔挤压约束，以质量最小化为目标进行了轻量化设计，结构减重55.7%。
关键词：OptiStruct，拓扑优化，尺寸优化，制造约束，钉孔挤压约束0 引言拓扑优化技术在飞行器结构概念设计阶段有着重要的应用，工程师通过OptiStruct可以非常迅速的找到结构的最优传力路径；在拓扑优化的基础上再进行尺寸优化，就可以得到最优化结构。
本文借助于HyperWorks软件平台，采用拓扑、尺寸联合优化方法对直升机接头进行优化设计。
1 结构分析该接头位于直升机尾部，主要用来传递直升机平尾的气动载荷，其主要载荷如下表所示。
表1接头载荷工况接头材料为铝合金，力学性能如下：杨氏模量：72000MPa密度:2800Kg/m3泊松比：0.33拉伸强度极限应力：500MPa原始设计见图1，采用两个接头组合起来扩散集中载荷。
首先根据接头受载情况建立有限元模型，添加接头载荷工况，进行静力分析，检查模型的强度、刚度以及钉载是否满足要求。
四种工况下最大应力分布情况及铆钉剪力如下图所示：图1 原始设计接头应力及铆钉剪力分布情况2 结构优化对接头首先进行拓扑优化，找到接头区域最佳的传力路径。
再按照拓扑优化得到的传力路径，重新进行接头结构的设计。
并对新设计进行尺寸优化，找到新结构的最佳设计尺寸，确定设计方案。
2.1拓扑优化将原先设计区域使用实体单元进行填充，确定设计区域与非设计区域，选择耳片连接区域的部分单元为非设计区域。
优化变量为设计区域内实体单元的单元密度。
建立好的优化模型如下图所示：图2 优化模型优化三要素：优化目标：加权应变能最小。
优化约束：设计空间体积分数上限0.2；拔模方向控制；对称性控制。
拓扑优化技术在直升机结构设计上的应用
拓扑优化技术在直升机结构设计上的应用作者：曹元宝来源：《科技资讯》2018年第15期摘要：本文阐述了拓扑优化技术在直升机结构设计中的应用，通过与传统的结构设计方法对比，分析拓扑优化技术在直升机结构设计中的优势。
利用拓扑优化技术对某型直升机尾撑上的接头进行优化，与采用传统结构设计方法设计的结构进行对比，分析使用拓扑优化技术的减重效果。
分析表明：使用拓扑优化技术，对直升机结构减重效果明显，应用前景广阔。
关键词：直升机结构设计拓扑优化中图分类号：TG50 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（c）-0120-02直升机作为一种低空交通工具，如将轻量化设计运用到其上，意味着机身更轻，油耗更少，更加灵活方便，从而能够拥有更大的市场前景。
因此，我们希望在满足一定的强度、刚度和寿命的前提下，设计出结构质量更轻的直升机。
结构重量占全机重量的比例是衡量直升机设计先进性的重要指标之一，减轻结构重量是直升机设计中的重要目标。
结构优化设计是提高材料利用率的一种设计方法，在减重的同时，几乎不增加结构成本。
1 拓扑优化技术拓扑优化技术是结构优化技术中具有前景和创新性的技术，可以在给定的设计空间内找到最佳的材料分布或传力路径，从而在满足设计要求的条件下得到重量最轻的设计结果[1]。
拓扑优化技术采用的方法有均匀化法[2]、密度法[3]、变厚度法[4]、拓扑函数描述法[5]等。
其中密度法是拓扑优化最常用的设计方法。
即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度”作为设计变量，在0～1之间连续取值，优化求解后单元密度为1（或靠近1）表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元密度为0（或靠近0）表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计。
在直升机结构设计中对零部件重量的苛刻要求，在传统的结构设计中通常需要反复优化减重，以满足重量要求。
在传统的结构设计中，设计结果严重依赖于设计人员的经验，在同一种使用工况下，为满足相同的功能要求，不同设计人员设计结构构型千差万别，重量差异很大，往往得不到最优的设计结果。
optistruct
OptiStruct结构优化技术在航空产品设计中的应用作者：顾卫平刘小涛李刚摘要：本文应用有限元分析软件Altair HyperWorks结构优化工具OptiStruct对某航空产品支架进行拓扑优化分析，并结合其强大的前处理软件HyperMesh、后处理软件HyperView 以及通用数值分析软件RADIOSS对优化前后的产品进行静态分析，从应力、变形、重量等方面对计算结果进行比较、总结，说明优化创新设计工具OptiStruct在改善机械产品性能、提高设计工作效率方面具有非常重要的作用。
这篇文章对于航空产品设计及优化具有借鉴意义。
1 概述以有限元法为基础的结构优化设计工具已经被广泛而深入地应用到各行各业，在航空航天、汽车、机械等领域取得了大量革命性的成功应用。
尤其对于航空产品，重量是衡量产品性能一个非常重要的指标。
为了提高航空器作战时的机动性与灵活性，提高其负载能力，如何得到质量轻而性能更佳的产品非常值得研究。
本文首先对某航空产品支架进行静态分析，在此基础上完成了Topology优化分析，根据优化分析结果，应用三维建模软件CATIA对原结构进行修改，最后，对改进后的结构进行静态分析。
结果表明，应用OptiStruct结构优化技术，不仅能够极大地降低产品的重量，而且对于改善产品的力学性能也具有积极的促进作用。
2 优化前支架静态分析2.1 有限元模型支架几何模型如图1所示。
采用四面体单元Tet4对几何模型进行网格划分，取单元尺寸为4mm。
其中，根据初次分析结果，对支架上应力较大部位进行网格细化，取单元尺寸为2mm。
整个模型的单元数为300746，节点数为36132，有限元模型如图2所示。
图1 几何模型图2 有限元模型2.2 材料参数支架采用的材料为铝材，材料的性能参数如表1所示。
表1 材料参数2.3 约束与载荷根据支架实际工作情况，对支架两端的圆柱孔施加固定约束，限制其三个平动位移为零；支架所受载荷如表2所示。
拓扑优化方法在飞机结构件概念设计中的应用
本文 采 用 集 成 的 思 想 来 解 决 上 述 问 题 , 运 用
CAD、CA E和拓扑优化方法相结合的技术途径来体现
上述设计理念 。作者从工程实用角度出发 ,针对飞机
结构传力的特点 ,认为使用结构拓扑优化技术部分代
替设计人员的工程经验与直觉判断 ,从方法上可看作
是从“感性 ”到“理性 ”的一种质的飞跃 。
移向量 , S ( X ) 为在设计变量状态下的结构件有效面 积 , S0 为在设计变量取 1状态下的结构件有效面积 , f 为材料用量的百分比 , N 为设计变量的数目 。整个设 计过程的流程框图见图 3。
图 3 飞机结构件概念设计流程框图
1. 1 几何造型平台 针对本项研究工作 ,利用 UG或者 CATIA 软件所
( b)纯剪切载荷工况与边界条件 图 4 单发动机框的简化形式 ( 取对称结构的一半 ,旋转 90°)
对于虚拟的模拟加强框来说 ,单发动机框的边界条 件与载荷简化情况见图 4;双发动机框的边界条件与载 荷简化情况见图 5;框梁组合件所采用的简化方法类似 , 这里从略 ;普通框的边界条件与载荷简化情况见图 6;双 支点翼梁的边界条件与载荷简化情况见图 7。
摘 要 :为了能够有效地降低飞机结构承力件的重量 ,针对飞机骨架 ,以加强框和普通框以及翼梁 的概念设计为研究内容 ,通过对“敏度阈值 ”概念的分析 ,指出其不足 ,提出了“改进的敏度阈值 ”概 念 ,并与“约束补偿 ”策略结合而形成新的拓扑优化算法 ,用于上述结构件的材料布局优化设计 。多 个算例中的拓扑优化结果均显示其结构型式十分新颖 ,值得深入地探讨 。 关键词 :飞机结构件 ; 概念设计 ; 拓扑优化 ; 敏度阈值 ; 约束补偿 ; CAD /CAE; 集成设计 中图分类号 : V214 文献标识码 : A 文章编号 : 1671Ο654X (2006) 05Ο0050Ο05
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。
基于OptiStruct的飞机吊挂梁优化设计
基于OptiStruct的飞机吊挂梁拓扑优化设计Topology optimization design about plane hanging beam based on OptiStruct刘少鹏 索瑞(中航飞机西安飞机分公司，陕西西安，710089)摘 要：本文对飞机吊挂梁结构优化设计进行了研究。
基于HyperWorks软件的OptiStuct 平台，应用拓扑优化技术对某型飞机吊挂梁进行优化分析，得到其最佳传力路线。
分析结果表明拓扑优化技术能在产品概念设计阶段寻求最佳的设计方案，对缩短产品设计研发周期和提高产品质量具有重要意义。
关键词：HyperWorks OptiStruct 吊挂梁拓扑优化Abstract:The paper is the studied about the plane hanging beam structure optimization design. Based on OptiStruct platform of HyperWorks software, using the topology optimization technology to optimize a certain type of aircraft hanging beam, then get the best force transmission route. The analysis results show that the topology optimization technology can find the best design scheme in the product concept design stage, and it has important significance to shorten the product design cycle and improve the product quality. Key words:HyperWorks, OptiStruct, Hanging beam, T opology optimization design1概述在飞机结构设计中，方案设计阶段是根据总体方案设计要求，形成一个或几个满足要求的初步设计方案，这个阶段非常重要，有时方案设计不好会在飞机的后期设计中发生颠覆性的更改，严重影响飞机的研制周期。
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。
OptiStruct拓扑优化技术在飞机登机门结构设计中的应用
图 1 门梯合一式登机门结构
2.1 踩踏工况有限元模型
对登机门各零部件进行网格划分，赋予零件材料属性参数，机身蒙皮、长桁和框等薄壁 零件离散为 2 维单元，接头、顶杆和连杆等零件离散为 3 维单元，铆钉连接和较小螺栓简化 为 1 维焊点单元（CWELD） ，大螺栓简化为刚性单元（RBE2）和梁单元（CBAR） ，登机门踩踏 工况有限元模型如图 2 所示。
图 5 登机门位移云图
2.3 踩踏分析
飞机结构强度设计的任务是在使用载荷下结构工作应力应不大于材料的屈服应力， 在设 计载荷下结构工作应力应不大于结构的破坏应力。由于现行航空材料的拉伸强度极限 屈服强度极限
b与
0.2 的比值一般均小于 1.5，所以强度校核时只考虑设计载荷下的剩余强度即
可。在强度分析中，剩余强度 的定义如下：
-2-
Altair 2015 技术大会论文集
图 3 登机门边界约束与载荷
2.3 踩踏分析
踩踏工况主摇臂、三角摇臂、辅助摇臂等主承力件应力云图分别如图 4 所示。
图 4 登机门主承力件应力云图 踩踏工况下两名乘客正常登、离机最大位移为 18.02mm，位移云图如图 5 所示。
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Altair 2015 技术大会论文集
优化设计后， 按踩踏工况原加载条件重新计算， 主摇臂初始结构与优化设计应力云图对 比如图 9 所示。
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Altair 2015 技术大会论文集
a）初始结构 图 9 主摇臂拓扑优化前后应力对比
b）优化设计
从计算结果 来看，主摇臂初始设计 最大应力 为 149.1MPa ，优化设计最大应力 为 136.0MPa，最大应力发生在非设计区域，优化前后最大应力有所降低，且主摇臂设计区域 应力水平有了较大改善。
拓扑优化在产品设计中的应用
拓扑优化在产品设计中的应用随着科技的不断进步和发展，现代产品的设计越来越注重优化和提升用户体验。
拓扑优化作为一种先进的设计方法，逐渐在产品设计领域得到了广泛应用。
本文将探讨拓扑优化在产品设计中的应用，并分析其优势和局限性。
拓扑优化是一种通过优化材料的形状和分布，以提高产品性能和降低重量的方法。
它通过数学模拟和计算机仿真，从整体结构的角度出发，寻找最优的结构形态和材料分布，以实现产品的功能需求。
拓扑优化在产品设计中的应用可以帮助设计师在保持产品强度和刚度的前提下，最大程度地减少材料的使用，降低产品的重量和成本。
在航空航天领域，拓扑优化的应用尤为突出。
飞机和火箭等航空器的结构设计对于重量和强度的要求非常高，而拓扑优化可以帮助设计师找到最佳的结构形态，以满足这些要求。
通过拓扑优化，可以将材料的使用减少到最低限度，同时保持产品的功能和性能。
这不仅可以降低产品的重量，提高燃油效率，还可以降低制造成本和提高生产效率。
除了航空航天领域，拓扑优化在其他行业的产品设计中也有着广泛的应用。
例如，在汽车制造领域，拓扑优化可以帮助设计师优化车身结构，提高车身强度和刚度，同时减少车身重量，提高燃油效率。
在建筑设计领域，拓扑优化可以帮助设计师优化建筑结构，提高抗震能力，减少材料使用，降低建筑成本。
拓扑优化在产品设计中的应用优势明显。
首先，通过拓扑优化可以实现材料的最佳分布，从而提高产品的性能和品质。
其次，拓扑优化可以帮助设计师降低产品的重量，减少材料的使用，从而降低产品的成本和对环境的影响。
此外，拓扑优化还可以提高产品的可靠性和耐用性，延长产品的使用寿命。
然而，拓扑优化也存在一些局限性。
首先，拓扑优化需要大量的计算和仿真，对计算资源要求较高。
其次，拓扑优化在考虑产品的功能和性能的同时，往往忽略了一些实际制造和装配过程中的约束条件，导致设计方案难以实际应用。
此外，拓扑优化的结果往往是理想化的，需要结合实际工程经验进行调整和优化。
基于OptiStruct的襟翼摇臂的拓扑优化
基于OptiStruct的襟翼摇臂的拓扑优化作者：郭仕贤来源：《科技视界》2016年第22期【摘要】本文通过拓扑优化的方法，采用Altair公司的OptiStruct软件对襟翼摇臂进行优化，在满足其使用刚度、强度要求的情况下，实现减重32.9%。
【关键词】拓扑优化；减重；OptiStruct0 引言飞机结构设计中，减重是一个永恒的难题。
“为了减轻飞机每一克重量而奋斗”是每一个飞机设计师的格言。
因此，进行结构减重，优化势在必行。
减重就意味着飞机的油耗小，成本低，更环保节能，可以减少二氧化碳的排放，才能更有竞争力。
1 拓扑优化理论基础结构拓扑优化能在工程结构设计的初始阶段为设计者提供一个概念性设计，使结构在布局上能够采用最优方案，已经成为当今研究结构优化设计的一个热点。
OptiStruct是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有先进的优化技术，提供全面的优化方法。
变密度法是连续体拓扑优化的常用方法，是一种比较流行的力学建模方式，与采用尺寸变量相比，它更能反应拓扑优化的本质特征。
它也正是OptiStruct中所采用的材料插值方法。
变密度法的基本思想是引入0到1的可变材料，指定每个有限单元的密度相同，并以每个单元的相对密度为设计变量。
当单元相对密度t=0时，表示该单元无材料，单元应删除；当单元相对密度t=l时，表示该单元有材料，保留或增加该单元。
其中， C（x）为结构的总体柔度，F为为力向量，U为为位移阵列，K为为结构总体刚度矩阵，V0——为整个设计域的初始体积，F为优化体积比，V是结构优化后的结构体积，Ve 为优化后的单元体积，X为设计变量，Xe为单元设计变量，Xmax为单元设计变量上限，Xmin为单元设计变量下限，引入密度Xmin下限的目的是防止单元刚度矩阵奇异，p为惩罚因子，N为结构离散单元总数。
2 摇臂结构的介绍目前，大型飞机后缘襟翼运动机构普遍都是采用滑轨引导襟翼的形式。
滑轨限定襟翼的运动轨迹，襟翼与滑轨之间通过滑轮架连接，作动器的动力通过驱动连杆及摇臂的传递，使襟翼沿滑轨平动并转动。
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。
飞行器结构设计拓扑优化研究
飞行器结构设计拓扑优化研究在航空航天领域，飞行器结构设计一直是至关重要的研究方向。
随着科技的不断进步，拓扑优化技术逐渐成为飞行器结构设计中的关键手段，为提高飞行器性能、减轻重量、降低成本等方面提供了新的思路和方法。
一、飞行器结构设计的重要性与挑战飞行器作为一种在空中运行的复杂系统，其结构设计的合理性直接关系到飞行的安全性、可靠性和性能表现。
在设计过程中，需要考虑众多因素，如空气动力学性能、结构强度、刚度、重量、材料特性、制造工艺等。
同时，还需满足严格的法规和标准要求。
然而，传统的设计方法往往依赖于经验和反复试验，不仅效率低下，而且难以实现最优的设计方案。
这就给飞行器结构设计带来了巨大的挑战，迫切需要一种更加科学、高效和精确的设计方法。
二、拓扑优化技术的原理与特点拓扑优化是一种基于数学优化理论的设计方法，其目的是在给定的设计空间内，寻找最优的材料分布，以实现特定的性能目标。
在飞行器结构设计中，拓扑优化可以通过改变结构的形状和拓扑构型，在满足强度、刚度等要求的前提下，最大限度地减轻结构重量，提高结构性能。
与传统设计方法相比，拓扑优化具有以下显著特点：1、创新性：能够突破传统设计思维的限制，发现新颖的结构形式和布局。
2、高效性：大大减少了设计周期和试验次数，提高了设计效率。
3、精确性：可以实现对结构性能的精确预测和优化，提高设计质量。
三、拓扑优化在飞行器结构设计中的应用1、机翼结构设计机翼是飞行器的重要部件，其结构性能直接影响飞行效率和稳定性。
通过拓扑优化，可以设计出更加合理的机翼内部骨架结构，减轻重量的同时提高强度和刚度。
2、机身结构设计机身需要承受各种载荷，同时要保证良好的气动外形。
拓扑优化可以帮助设计出具有最佳材料分布的机身结构，提高整体性能。
3、发动机支架设计发动机在工作时会产生较大的振动和载荷，通过拓扑优化设计的发动机支架可以更好地承受这些载荷，提高可靠性。
四、拓扑优化过程中的关键问题1、数学模型建立建立准确的数学模型是拓扑优化的基础，需要合理地定义设计变量、约束条件和目标函数。
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OptiStruct拓扑优化技术在飞机结构设计中的应用Application of Topology Optimization Technology OptiStruct in Designing of the Aircraft Structure郭琦(中航飞机西安飞机分公司，陕西西安，710089)【摘要】随着优化技术在飞机结构设计中的深入应用，传统的结构设计方法已发生了改变。
本文介绍了优化技术的设计理论和方法，运用有限元分析和优化工具OptiStruct对飞机某结构接头进行拓扑优化分析，并验证其强度和刚度都满足设计要求。
说明拓扑优化能在产品概念设计阶段寻求最佳的设计方案，对缩短产品设计研发周期和提高产品质量有着重要的意义。
关键词：有限元分析拓扑优化 OptiStruct 结构分析Abstract:w ith the further application of optimization technique in designing of the aircraft structure, the structure design method of traditional already change. This paper introduces the design theory and method of optimization Technology, use of the finite element analysis and optimization tool OptiStruct to topology optimization of a certain connector structure, and verify its strength and stiffness meet the design requirements. Explain the topology optimization is helpful to seek the best design scheme in the conceptual phase of products, and have important significance for reduce the product design cycle and improve the quality of products.Key words: Finite element analysis, Topology optimization, OptiStruct, Structure optimization1引言结构优化技术是当前CAE技术发展的一个热点，其已被广泛应用到各工业领域[1]。
尤其是在航空领域，其结构零件的设计不仅要满足苛刻的功能要求，还要满足最小化重量要求。
这就要考虑在结构零件设计的各个阶段进行各种优化技术，力求满足结构零件的各项性能指标。
在概念设计阶段运用拓扑优化选择结构零件的最佳传力路线或最优的材料分布，在初步设计阶段运用形状优化选择结构零件的位置和几何形状，在详细设计阶段运用尺寸优化选择结构零件的最优尺寸和参数。
OptiStruct就是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化工具，拥有先进的、全面的优化方法，能够解决大多数的工程优化问题。
本文针对飞机某结构接头，基于OptiStruct进行了拓扑优化设计，并对优化后的方案进行了静强度仿真分析。
2 优化技术概述2.1 结构优化理论结构优化是根据结构的形式、材料、受载情况和设计所要求的各种约束条件，如强度、刚度、稳定、构造要求等，提出优化的数学模型并求解，以获得最佳的静力或动力等性态特征的结构设计方法。
结构优化的数学模型包含设计变量、目标函数和约束条件。
设计变量：对于结构优化设计，设计方案是用一组数学参数来表达的。
这些参数中，除了已经给定的已知量，还有一些是需要在设计过程中确定的，这就是设计变量。
设计变量是在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数，它是用来描述设计方案特征的独立变量。
设为i x 。
U i i L i x x x ≤≤ （1）目标函数：目标函数是满足设计要求的最优设计性能，是关于设计变量的函数。
),......,,()]([min i 21x x x f x f = （2）约束条件：在优化设计中，每个设计变量都是有约束条件的。
只有满足所有约束条件的设计方案才是可行方案。
a x g j ≤)( mj ,......,3,2,1= （3） b x h k =)( l k ,......,3,2,1= （4）上述表达式中，i 21,......,,x x x x =是设计变量；上脚标L 是下限；上脚标U 是上限；)(x f 是目标函数；)(x g 是不等式约束函数；)(x h 是等式约束函数。
2.2 拓扑优化理论结构优化方法主要分为拓扑优化、形状优化和尺寸优化等。
拓扑优化是根据设计空间、设计目标、设计约束和加工制造条件等信息求解出一个不仅满足设计约束，而且达到各方面性能最优的设计方案，主要目的是在特定载荷作用下获得设计空间内的最强的载荷路径，从而找到零件最优的材料分布。
拓扑优化包括连续拓扑和离散拓扑，连续拓扑优化的方法包括均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法和水平集方法等，离散拓扑优化的方法包括遗传基因法等。
本文采用变密度法进行飞机某结构接头的拓扑优化。
变密度法的基本思想是对单元i 的满材料密度0ρ引入一个关于参数)1，0(∈i x 的函数)(i x f 以便得到新的中间密度[2]：0i )(ρρi x f = n ,...,2,1=i x （4）若i ρ不为零，则该单元的材料存在，若i ρ为零，则该单元的材料不存在。
为了在材料的弹性模量和单元相对密度之间建立起一种显式的非线性对应关系，引入惩罚因子p ，)(i x f 就是一个关于惩罚因子的函数。
惩罚因子的作用是当)(i x f 的值在（0，1）之间时，对中间密度值进行惩罚，使中间密度值逐渐向0/1两端聚集，这样可以使连续变量的拓扑优化模型能够很好地逼近原来0-1离散变量的优化模型[3]。
优化求解后单元中间密度为1（或者靠近1）表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元中间密度为0（或靠近0）表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化设计[4]。
2.3 拓扑优化的设计流程利用OptiStruct 软件进行飞机某结构接头拓扑优化的设计流程为：a) 在CATIA 中建立接头的几何模型，并导入HyperMesh 中。
b) 在HyperMesh 中建立有限元模型，并设置载荷和边界条件。
c) 设置拓扑优化参数，包括定义优化设计变量及设计空间（可设计区域）；定义用于评测目标函数和约束条件的结构响应；定义优化设计约束和目标。
d) 运行Optistruct 进行拓扑优化迭代分析。
e) 验证结果。
具体拓扑优化的流程如图1所示。
图1 拓扑优化分析流程3飞机接头的拓扑优化设计考虑到接头与其它零件的装配关系，把接头的拓扑优化有限元模型分为设计区域与非设计区域两部分，对设计区域进行优化设计，使材料在此空间内进行重新分布，从而达到减重和改善力学性能的目的，对于非设计区域，其结构形式与外形均不改变，以保证接头的可装配性不变。
设计区域与非设计区域如图2所示，其中绿色部分为设计区域，紫色部分为非设计区域。
3.1仿真软件采用Altair的HyperMesh软件进行前处理，OptiStruct进行求解，HyperView进行后处理。
3.2有限元模型在HyperMesh中，根据初始模型的尺寸，合理划分有限元网格。
单元大小初选10mm，均为六面体单元HEX8。
建立材料为30CrMnSiA的材料和属性卡片，并将材料赋予属性，属性赋予存储网格的components。
接头的约束施加在接头右侧的非设计区域。
载荷施加在接头上的两处耳片连接孔处，为了准确反映结构受力和实际的受载情况，在连接孔周围将所有的节点通过RBE3连接在一起，接头所承受的力施加在RBE3单元的主节点上，从而通过耳片传递到接头上。
接头承受的力的大小为27KN。
如图2所示，有限元模型的网格单元数为47531，网格节点数为55291。
3.3优化要素设计变量：可设计区域的结构材料，即有限元分析中单元的密度。
考虑到接头加工的工艺性，还增加了最小尺寸和零件的对称性要求。
优化目标：可设计区域的重量最轻。
约束条件：载荷处的最大位移不大于2.5mm。
约束载荷非设计区域设计区域图2 拓扑优化有限元模型图3 拓扑优化结果3.4 优化结果在HyperMesh-Analysis-OptiStruct 中提交计算，得到接头的拓扑优化的结果如图3所示。
从优化结果来看，可设计区域的有的部位变薄，有的部位被挖空，而这样的材料分布符合应力的流向。
4 优化后接头的静强度分析根据拓扑优化结果，运用CATIA 对接头的几何模型进行修改，修改后的模型如图4所示。
图4优化后的CA TIA 模型 图5优化后的有限元模型4.1 有限元模型接头优化后的有限元模型如图5所示。
单元类型采用六面体单元HEX8，单元尺寸为5mm 。
整个有限元模型的网格单元数为85950，网格节点数为73601。
其余诸如材料属性、约束和载荷等参数的设置均与拓扑优化有限元模型的设置相同。
4.2 计算结果在HyperMesh-RADIOSS 中提交计算，计算完成后，运用HyperView 查看计算结果。
优化后接头应力分布云图如图6所示，接头上的最大应力为93.51MPa ，且应力分布均匀。
优化后接头变形云图如图7所示，接头的最大变形为1.745mm ，发生在接头的承载力最大的部位。
接头的材料为30CrMnSiA ，抗拉强度M P a b 1080=σ，结合强度校核公式[5]104.1051.9315.1108015.1b>=⨯=⨯=v σση（公式中1.15为接头系数），接头满足强度设计要求。
同时，接头的最大变形符合设计初始要求。
1.745mm93.51MPa图6 优化后接头应力云图图7 优化后接头变形云图5结论此次优化分析的目的在于减重，运用拓扑优化技术使材料在设计区域根据传力路线重新分布，设计出的零件的力学性能得到了很大的改善。
同时，OptiStruct拓扑优化技术能够为设计人员提供结构概念性设计方法，缩短了产品研发的周期，提高设计工程人员的设计水平和工作效率。
6参考文献[1] 李楚琳.HyperWorks分析应用实例(M).北京：机械工业出版社，2008，7[2] 昌俊康，段宝岩.连续体结构拓扑优化的一种改进变密度法及其应用(J).计算力学学报，2009，2（26）[3] 王伟，杨伟，常楠，赵美英.基于MSC.PATRAN/NASTRAN的变密度法拓扑优化系统(J).机械设计，2009，5（25）[4] 洪清泉，赵康，张攀.OptiStruct&HyperStudy理论基础和工程应用(M).北京：机械工业出版社，2013，[5] 牛春匀编.实用飞机结构设计[M].北京：国防工业出版社，1991。