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CAE结构优化软件——OptiStruct在机翼结构概念设计阶段的应用

2015/7/8        作者:林纯景  邵山中      
关键字:CAE  有限元  CAE软件  
本文借助CAE结构优化软件——OptiStruct,在机翼结构的概念设计阶段通过拓扑优化技术进行设计,获得了易于工程实现的拓扑结果。

引言

    拓扑优化设计是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布,或者传力路径,从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。轻量化设计是航空结构设计中重要的目标,在飞机概念设计阶段引入拓扑优化技术可以大幅度的减轻结构重量,提高飞机综合性能,因此,在机翼概念设计阶段结合CAE结构优化软件——OptiStruct引入拓扑优化技术对减轻飞机重量、提高飞机综合性能起到应用的作用具有重要的意义。

1 机翼有限元模型的建立

    一般工程上认为少于5%~10%的承载能力可在分析时略去,机翼结构拓扑优化的关键在于对原结构进行合理简化,略去次要元件的部分,着重研究参与总体传力的主要部分和主要元件,建立有限元分析模型。机翼上下蒙皮完全覆盖在机翼的上下表面,属于薄壁结构件,作用是形成飞机结构光滑而封闭的表面,功能主要是维持气动外形,并不是主要的承力结构,所以蒙皮也不进行建模处理,否则必然导致在优化过程中结构的传力过于依赖蒙皮,从而难以得到以梁、肋为主要传力路径的拓扑结果。

    如图1所示某机翼结构设计域,长1500mm,宽500mm,高150mm。

图1 机翼结构设计域

图1 机翼结构设计域

1.1有限元网格划分

    模型通过HyperMesh进行网格划分。网格类型:正六面体网格。网格边长尺寸:10mm。体单元网格数量:112500。如图2所示。

图2 有限元网格划分模型

图2 有限元网格划分模型

1.2材料属性

    模型中所有材料均取为硬质铝合金,其弹性模量E=70Gpa,泊松比µ=O.3,密度P=2.7t/m3。

1.3 载荷与约束

    工程实际中的初始总体规划要求机翼承力结构的基本形式必须是单梁加肋的盒式结构,这可以通过改变边界约束条件来实现,在机翼根部端面约束条件设为中间的节点施加固支约束。在下表面上施加均布载荷,以定性的模拟飞机受到升力作用时的弯曲工况。沿机翼模型展向以弦向为称中心施加载荷,以定性的模拟飞机受到的扭矩作用时的扭转工况。如图3所示。

图3 两种工况作用下的载荷施加模型

图3 两种工况作用下的载荷施加模型

责任编辑:吴星星
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