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形状优化技术在飞机结构设计上的应用

2020/4/5    来源:Altair论文集    作者:丁燕  王永超      
关键字:飞机结构  形状优化  轻量化  
本文对Altair OptiStruct软件形状优化技术在飞机结构设计中的成功案例进行了分析研究,结果表明利用Altair OptiStruct软件形状优化技术可满足结构综合性能的基础上有效实现结构设计的轻量化。
1 概述 
 
       飞机设计水平的高低在一定程度上,是反映一个国家科研实力、创新能力的一个重要指标,而飞机结构轻量化设计是实现这一重要指标的一个前提基础。在飞机研制过程中,减轻飞机的结构重量对于提高飞机性能有着重要意义。据统计,在保证飞机性能的前提下,结构重量减轻1%,可以减轻飞机总重3%。因为结构重量减轻1%,在保证同样航程情况下,一般可以减轻1%的燃油。由于重量的减轻,带来载荷的下降,减轻了飞机的负担。因此减轻重量是飞机设计师的重要使命,也是型号成败的关键。优化设计无疑是结构设计轻量化的一种重要手段,当然形状优化就是其中一员。区别于传统的经验式设计模式,经过形状优化的产品模型是在给定载荷、工况等约束条件下,满足性能要求的最优形状模型,而且具有轻量化的特点,是一种新型的设计方法。
 
2 形状优化方法
 
       形状优化的目的是对已有零件的网格形状进行修改从而实现结构优化,提高刚度、强度或者减轻重量。OptiStruct采用HyperMesh的Morphing技术建立基于网格变形的形状优化变量,利用网格划分当中的网格变形技术建立基于网格变形的形状优化变量。这一方法的优点是在优化过程中无需重构CAD模型,所有形状改变均直接作用于网格,从而可以方便地得到最优的设计改进方案。HyperMorph是一个内嵌在网格划分当中的网格变形模块。通过它,可以使用多种交互式的方法来改变网格形状和零件的位置。节点移动后,HyperMorph可以创建设计变量卡片和节点移动卡片,将修改后的网格保存为形状扰动,与形状优化的设计变量关联。

利用HyperMorph建立形状变量并优化圆角形状

图1 利用HyperMorph建立形状变量并优化圆角形状

形状优化可以优化翼结构的肋板位置

图2 形状优化可以优化翼结构的肋板位置
 
3 形状优化设计在飞机结构设计中的应用 
 
       从整个飞机研制过程来看,主要包括方案设计阶段、初步设计阶段、详细设计阶段、试制阶段、试飞阶段、批生产阶段,其中方案阶段占研制周期比例最大,而且最为关键,决定着飞机的总体布置形式,相当于是决定飞机的“基因”链。

飞机研制过程

图3 飞机研制过程
 
       此前,方案设计阶段设计主要采用召开大量协调会,依靠每位参会专家的经验知识来保证方案的合理性和准确性,时间周期相对较长。且因与会专家的不同会产生方案分歧,导致前期方案颠覆。另外,由于协调问题考虑不全面、不系统、不完整,会使方案迭代时常会回到原点,带来设计阶段的恶大跨度迭代,浪费大量时间和成本。因此,也迫切需要通过优化设计手段使方案阶段也进行海量优化,使各阶段内的优化尽量发挥最大作用,而不是个别方案的人为认知筛选,减少大跨度设计迭代,同时尽可能降低设计反复的概率,形状优化是方案阶段进行结构布置优化设计的妙计良方。为了提高结构效率,减轻结构重量,提升武器装备的性能,形状优化技术已在飞机结构设计中得到越来越广泛应用。
 
       采用HyperMorph网格变形技术实现了复合材料加筋壁板结构加强筋高度间距尺寸的形状参数化,建立了基于尺寸和形状优化的复合材料加筋壁板结构设计流程,通过OptiSruct的形状优化功能对复合材料T型加筋壁板进行形状优化设计,该优化过程实现了复合材料加筋壁板优化减重设计。

形状优化定义流程和有限元模型

图4 形状优化定义流程和有限元模型
 
       将优化后的厚度结果整理于下表最优值一列,可以看出各个铺层角度满足工程设定的10%铺层原则。通过查看优化后的受压复合材料加筋壁板一阶屈曲模态,其屈曲临界因子为1.29,满足屈曲临界因子大于1.2的约束条件。

复合材料加筋壁板优化设计变量表

图5 复合材料加筋壁板优化设计变量表

化后复合材料加筋壁板一阶屈曲模态图

图6 化后复合材料加筋壁板一阶屈曲模态图
 
       针对圆筒机身隔框高度和间距采用HyperMorph网格变形技术定义了形状参数化,建立了基于形状优化的设计流程,通过OptiSruct的形状优化功能对圆筒机身隔框高度和间距进行形状优化设计,该优化过程实现了圆筒机身结构优化减重设计。

圆筒机身隔框高度和间距形状优化设置流程

图7 圆筒机身隔框高度和间距形状优化设置流程

圆筒机身隔框高度间距形状优化设计

图8 圆筒机身隔框高度间距形状优化设计

圆筒机身隔框高度间距形状优化结果

图9 圆筒机身隔框高度间距形状优化结果
 
       目前,我们已开展了机身、机翼、运动翼面结构的形状优化设计,在型号中得到很好应用,给型号结构方案设计提供了非常大的帮助,在复材机翼壁板、圆筒机身设计中就应用了形状优化设计,减重效果非常明显,清晰的描绘出了结构的布置方案,优化后的结构承载效能有很好的提高。
 
4 结束语 
 
       将结构形状优化方法应用于飞机结构布局方案设计过程中,可以获得最佳的结构形式和材料分布,使结构传力更加直接和高效,且有效减轻飞机结构重量,提高飞机性能。相对于传统的设计方法,全新的设计理念帮助设计师们以更快的速度确定性能更高、重量更轻、结构更可靠的布局形式,可为初期阶段设计的产品提供设计思路,减少设计反复。
责任编辑:程玥
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