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基于3D打印的拓扑优化技术在大型民机发动机吊挂设计中的应用(二)

2017/9/25    来源:互联网    作者:胡震东  马立敏  石经纬  温顺达      
关键字:拓扑优化  3D打印  发动机吊挂  轻量化设计  
本文以大型民用飞机发动机吊挂为对象,针对3D打印工艺约束少的特点,利用拓扑优化分析软件,以整体刚度最大为优化目标,实现了发动机吊挂结构的最优设计形式,并对优化后结构进行了强度复核和3D打印原型验证。

    2.4  材料属性

    选用TC4钛合金作为发动机吊挂材料,弹性模量E=110GPa,泊松比μ=0.33,密度ρ=4500kg/m3,屈服强度σ0.2=860MPa。

    2.5 拓扑优化

    拓扑优化运行要素包括优化目标、最大化刚度、质量最小化、质量目标、应力约束、位移约束、频率约束、厚度约束和重力等等。在模型载荷和约束的基础上,优化软件从设计空间去除材料,生成能抵抗施加到模型载荷的最优形状。设计空间和施加在模型上面的载荷、位移以及形状控制一定时,根据运行优化窗口中所选目标的不同,产生的结果也不尽相同。因此运行优化时,必须分析优化目标是刚度最大化还是质量最小化。若优化目标是设计空间刚度最大化,可以得到既定质量下刚度可能最大的形状,优化后发动机吊挂结构将不容易发生变形,但是可能质量会更重一些。若优化目标是质量最小化,优化后可生成质量最轻的发动机吊挂结构形式,虽然仍可支撑所施加的载荷,但是可能容易发生变形。

    本文选择优化目标为“最大刚度”。在Solid ThinkingInspire软件中运行拓扑优化分析计算后,得到了如图5所示的优化分析结果。拓扑优化的结果完全颠覆了传统的设计理念,经Solid ThinkingEvolve软件表面光顺处理后,发动机吊挂的效果图如图6所示,此时,发动机吊挂的质量为1122kg,减重10.9%。

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    图5 拓扑优化后的发动机吊挂

    2.6 优化结果复核

    采用结构静强度设计原则和结构刚度设计原则对拓扑优化后的发动机吊挂进行复核。

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    图6 发动机吊挂效果图

    结构静强度设计的基本原则是:结构应确保承受各种工况载荷时具有必要的承载能力,一般要求构件产生的静应力不大于材料的许用应力(通常以屈服极限为基准),使结构变形处于弹性范围之内。其强度可靠性则通过安全系数予以保障。

    结构刚度设计的基本原则是:根据工程要求,保证在不同工况的外部载荷作用下,构件的弹性位移(最大位移或者指定位置处的位移)不超过规定的数值。在民用飞机等需要严格限制自身重量的机械装置中,结构刚度具有更重要的意义。

责任编辑:张纯子
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