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拓扑优化技术在飞机发动机吊挂结构设计中应用

2017/5/25    来源:互联网        
关键字:拓扑优化技术在飞机发动机吊挂结构设计中的应用  
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。为了降低研制成本,节约宝贵的设计周期,只能通过 减少设计迭代次数来实现,而结构优化技术为实现这种理想设计提供了可能。据国外资料报道,空 客公司空客 A350 飞机后机身整体结构初始设计中采用先进拓扑优化技术,获得了鲜明的主要传载 结构,考虑所有工况得到新的设计,结构应力均匀,减重15-20%。

    1 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。为了降低研制成本,节约宝贵的设计周期,只能通过 减少设计迭代次数来实现,而结构优化技术为实现这种理想设计提供了可能。据国外资料报道,空 客公司空客 A350 飞机后机身整体结构初始设计中采用先进拓扑优化技术,获得了鲜明的主要传载 结构,考虑所有工况得到新的设计,结构应力均匀,减重15-20%。

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    图1 空客A350飞机后机身整体结构拓扑优化

    本文利用拓扑优化技术,对飞机发动机吊挂结构进行了优化设计,设计结果表明,该设计方法

    有效减少了设计迭代次数,节省了研制周期及成本,能够满足客户对研制周期及成本控制的要求。

    2 发动机吊挂结构简介

    翼吊飞机布局发动机通过吊挂固定在机翼下方,发动机吊挂一般为盒形梁式结构,将发动机所 有推力及惯性载荷传递至机翼,民用运输机发动机典型吊挂结构见图 2 所示。

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    图2 民用运输机发动机吊挂结构

    吊挂盒段结构为吊挂主承力结构,一般多采用为梁式薄蒙皮结构,梁缘条承受弯矩,梁腹板、 侧壁蒙皮承受剪力。吊挂与发动机通过吊挂前肋、后肋连接,吊挂与机翼通过吊挂前撑杆、主接头、 侧向接头以及后撑杆连接,为超静定连接结构。

    3 拓扑优化设计

    根据吊挂总体外形、发动机及机翼对接接口位置关系以及吊挂设计载荷等设计输入,建立了吊 挂结构方案拓扑优化模型(图 3),利用 OptiStruct 拓扑优化算法,得到一种传力路径直接的结构布 局形式。

    3.1 拓扑优化模型建立

    该模型选取了3种最严重载荷工况进行计算,拓扑优化设计变量为单元密度,目标函数为 3 种 工况的加权应变能最小,约束条件为体积比 0.3,利用 HyperMesh 建立的拓扑优化模型见图 3,从 图中可以看出,载荷通过 RBE2 刚性单元施加在发动机重心上,该模型共有 134506 个节点,121258 个实体单元。

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    图3 吊挂结构拓扑优化模型

    3.2 拓扑优化结果分析

    对3种载荷工况分别进行拓扑优化,得到的三种拓扑优化结果见图 4 至图 6。

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    图4 垂向载荷工况下拓扑优化结果

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    图5 侧向载荷工况下的拓扑优化结果

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    图6 航向载荷工况下拓扑优化结果

    根据图4至图6可以看出,侧向载荷工况下的拓扑优化结果与其他工况下拓扑优化结果差别较 大,这是由于该载荷工况主要以扭矩和侧向力为主,扭矩由吊挂主接头平衡,侧向力由侧向接头平 衡,吊挂前撑杆、后撑杆承受沿杆方向的载荷,无法承受扭矩及侧向力。其余载荷工况下吊挂结构 的拓扑优化结果比较相似,吊挂前撑杆变成一根二力杆,吊挂后撑杆变成两根二力杆在吊挂后接头 处合并成一个交点,吊挂盒段变成一种桁架式结构。

    对3种载荷工况进行拓扑优化,目标函数取3种工况的加权应变能,优化结果见图7。从图7可以看出,该结果综合了多种工况的传力特点,拥有多条传力路径。

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    图7 复合工况下拓扑优化结果 该模型一共经历了40步优化迭代,目标函数迭代曲线如图8所示。

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    图8 吊挂结构拓扑优化目标函数迭代过程

    5 结论

    本文利用HyperMesh对飞机发动机吊挂结构进行了结构前处理,利用OptiStruct进行了拓扑优化。综合多种载荷工况得到的拓扑优化结果清晰地反映出结构受载特点和主传力路径。拓扑优化得 到的整体结构与传统组合结构相比,结构受载更均匀,减重效果明显,随着“3D 打印”等先进整体件 制造技术的发展,未来飞机结构中采用拓扑优化得到的整体结构应用将越来越多。

责任编辑:张纯子
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