搜索【論文】拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用
2016-11-28 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用
Application of Topology Optimization Technology in Aircraft Engine Pylon Design
寇延清 孟兆康 朱勝利
(中航工業(yè)一飛院 西安 710089)
摘 要:為了滿足飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計周期短、重量指標(biāo)要求高的問題,在飛機發(fā)動機吊掛設(shè)計過程中, 利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中利用拓?fù)鋬?yōu)化得到一種傳力直接,重 量較輕的結(jié)構(gòu)形式。最終優(yōu)化結(jié)果表明,采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)能夠大大減少設(shè)計周期,并且在滿足設(shè) 計要求的前提下,實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)減重。
關(guān)鍵詞:飛機 結(jié)構(gòu) 吊掛 拓?fù)鋬?yōu)化
Abstract:In order to meet the short aircraft structure design cycle, weight indicator demanding questions. This paper use topology optimization to optimize the structure in the design process of aircraft engine pylon. In the design process, topology optimization is used for getting a direct force transmission, lightweight structure. The final optimization result shows that using topology optimization technology can significantly reduce the design cycle, and also can reduce the aircraft structure weight in the premise to meet the design requirements.
Key words: Aircraft, Structure, Pylon, Topology Optimization
1 概述
長期以來,飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計依靠傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗以及各種試驗數(shù)據(jù)的累積,研制周期長、成本高, 無法滿足客戶對研制周期及成本控制的要求。為了降低研制成本,節(jié)約寶貴的設(shè)計周期,只能通過 減少設(shè)計迭代次數(shù)來實現(xiàn),而結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)為實現(xiàn)這種理想設(shè)計提供了可能。據(jù)國外資料報道,空 客公司空客 A350 飛機后機身整體結(jié)構(gòu)初始設(shè)計中采用先進(jìn)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),獲得了鮮明的主要傳載 結(jié)構(gòu),考慮所有工況得到新的設(shè)計,結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻,減重 15-20%[1]。
圖 1 空客 A350 飛機后機身整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
本文利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),對飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,設(shè)計結(jié)果表明,該設(shè)計方法
有效減少了設(shè)計迭代次數(shù),節(jié)省了研制周期及成本,能夠滿足客戶對研制周期及成本控制的要求。
2 發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)簡介
翼吊飛機布局發(fā)動機通過吊掛固定在機翼下方,發(fā)動機吊掛一般為盒形梁式結(jié)構(gòu),將發(fā)動機所 有推力及慣性載荷傳遞至機翼,民用運輸機發(fā)動機典型吊掛結(jié)構(gòu)見圖 2 所示。
圖 2 民用運輸機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)
吊掛盒段結(jié)構(gòu)為吊掛主承力結(jié)構(gòu),一般多采用為梁式薄蒙皮結(jié)構(gòu),梁緣條承受彎矩,梁腹板、 側(cè)壁蒙皮承受剪力。吊掛與發(fā)動機通過吊掛前肋、后肋連接,吊掛與機翼通過吊掛前撐桿、主接頭、 側(cè)向接頭以及后撐桿連接,為超靜定連接結(jié)構(gòu)。
3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計
根據(jù)吊掛總體外形、發(fā)動機及機翼對接接口位置關(guān)系以及吊掛設(shè)計載荷等設(shè)計輸入,建立了吊 掛結(jié)構(gòu)方案拓?fù)鋬?yōu)化模型(圖 3),利用 OptiStruct 拓?fù)鋬?yōu)化算法,得到一種傳力路徑直接的結(jié)構(gòu)布 局形式。
3.1 拓?fù)鋬?yōu)化模型建立
該模型選取了 3 種最嚴(yán)重載荷工況進(jìn)行計算,拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計變量為單元密度,目標(biāo)函數(shù)為 3 種 工況的加權(quán)應(yīng)變能最小,約束條件為體積比 0.3,利用 HyperMesh 建立的拓?fù)鋬?yōu)化模型見圖 3,從 圖中可以看出,載荷通過 RBE2 剛性單元施加在發(fā)動機重心上,該模型共有 134506 個節(jié)點,121258 個實體單元。
圖 3 吊掛結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型
3.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析
對 3 種載荷工況分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,得到的三種拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果見圖 4 至圖 6。
圖 4 垂向載荷工況下拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果
圖 5 側(cè)向載荷工況下的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果
圖 6 航向載荷工況下拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果
根據(jù)圖 4 至圖 6 可以看出,側(cè)向載荷工況下的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果與其他工況下拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果差別較 大,這是由于該載荷工況主要以扭矩和側(cè)向力為主,扭矩由吊掛主接頭平衡,側(cè)向力由側(cè)向接頭平 衡,吊掛前撐桿、后撐桿承受沿桿方向的載荷,無法承受扭矩及側(cè)向力。其余載荷工況下吊掛結(jié)構(gòu) 的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果比較相似,吊掛前撐桿變成一根二力桿,吊掛后撐桿變成兩根二力桿在吊掛后接頭 處合并成一個交點,吊掛盒段變成一種桁架式結(jié)構(gòu)。
對 3 種載荷工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,目標(biāo)函數(shù)取 3 種工況的加權(quán)應(yīng)變能,優(yōu)化結(jié)果見圖 7。從圖 7
可以看出,該結(jié)果綜合了多種工況的傳力特點,擁有多條傳力路徑。
圖 7 復(fù)合工況下拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果 該模型一共經(jīng)歷了 40 步優(yōu)化迭代,目標(biāo)函數(shù)迭代曲線如圖 8 所示。
圖 8 吊掛結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)迭代過程
5 結(jié)論
本文利用 HyperMesh 對飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)前處理,利用 OptiStruct 進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu) 化。綜合多種載荷工況得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果清晰地反映出結(jié)構(gòu)受載特點和主傳力路徑。拓?fù)鋬?yōu)化得 到的整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)受載更均勻,減重效果明顯,隨著“3D 打印”等先進(jìn)整體件 制造技術(shù)的發(fā)展,未來飛機結(jié)構(gòu)中采用拓?fù)鋬?yōu)化得到的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用將越來越多。
6 參考文獻(xiàn)
[1] Altair-驅(qū)動航空結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,2008 年 Altair 學(xué)術(shù)年會論文集.
[2] 張勝蘭,鄭冬黎,等.基于 HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2007. [3] 李楚琳,張勝蘭,等.HyperWorks 分析應(yīng)用實例[M].機械工業(yè)出版社,2008.
相關(guān)標(biāo)簽搜索：【論文】拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在飛機發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用 HyperWorks有限元分析培訓(xùn) HyperMesh網(wǎng)格劃分培訓(xùn) hyperMesh視頻教程 HyperWorks學(xué)習(xí)教程 HyperWorks培訓(xùn)教程 HyperWorks資料下載 HyperMesh代做 HyperMesh基礎(chǔ)知識 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓(xùn) Abaqus培訓(xùn)
