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拓扑优化在飞机零部件叠层制造中的应用

2015/1/5    来源:Altair        
关键字:叠层制造  ALM  拓扑优化  减重  
本文介绍了EADS创新中心利用OptiStruct进行拓扑优化,与原结构相比,成功地做到了节省了64%的材料;减少应力的同时提升强度;大幅度降低成本。

项目介绍

    金属的叠层制造(ALM)是在飞机结构研发早期阶段使用的一种零件加工的新型技术。ALM的优势体现在生产部件的设计灵活性、较低的材料浪费、低生产成本等,尤其针对那些难以加工的硬质材料。

图1 飞机

图1 飞机

    设计灵活性使得ALM成为拓扑优化的完美应用。在应用时,拓扑优化的形状可以被保持,最终的质量和结构属性也更加接近那些优化得到的形状。

    EADS创新中心在TSB的资助下,与工业界和学术界共同合作进行AVLAM项目的开发,来探索能否为航空航天业制造出优化的ALM零件,达到技术和商业的可行性。作为试验,他们使用了HyperWorks的拓扑优化工具OptiStruct软件,来为空客A320的零件进行优化,进而推广应用于其它的航空结构。

 图1 空客A320原机舱铰链支架(后)优化设计ALM制造后形状(前)

图2 空客A320原机舱铰链支架(后)优化设计ALM制造后形状(前)

挑战

    ALM是一种新兴的制造技术,它基于相对灵活的设计约束限制,通过优化设计达到显著降低零件重量的目标。

    ALM制造的成本独立于零件的复杂度,所以这是一个良性循环,即通过优化设计节省了零件的材料用量,从而降低成本。

    此项目的目标是使用ALM提供的设计自由度来论证潜在的材料重量节省能力,并且保持与原零件相同的性能。

解决方案

    EADS创新中心实施优化策略,以尽可能少的材料生产一个零件(例如最轻重量)。他们采用OptiStruct进行拓扑优化,其中包括以下两个设计过程:

第一个设计周期

    在CATIA V5中进行初始设计并在选定的条件下,进行了鲁棒性测试。在对结构进行改进时使用HyperWorks的HyperMorph功能对其CAE模型进行新的约束和新的网格变形,再使用OptiStruct对其进行了形状和尺寸的优化。在这个阶段,零件仅重310g。

第二个设计周期

    基于第一个设计周期的结果,施加新的各种约束,重复优化的过程。结果使当前的零件在反复优化后比第一个设计阶段中得到的仅仅重16g,总重量为326g。

 图2 优化设计周期

图3 优化设计周期

责任编辑:吴星星
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