优化设计技术在民机中地位

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1尺寸优化与形状优化

根据拓扑优化的结果，在支架传力路径上增加加强筋条，筋条高度为8mm；同时由于立筋的增加，为了更准确模拟铰链接头与耳片之间、耳片与加强筋条之间的传力，将耳片与接头设计为如图5所示；简化了梁与支架的连接，在原来支架与梁的连接处用固支约束模拟紧固件连接。在这次优化中，以筋条处的典型剖面为例，筋条的高度和厚度以及筋条两边的腹板的宽度和厚度都是设计变量。由于本模型中含5个十字形筋条，另有2个类似筋条，变量的数量很多，各个变量之间存在着复杂的影响关系，最终的优化结果对参数的变化十分敏感。

2结构验证与对比分析

经过拓扑优化和形状优化，我们最终得到了较为理想的设计方案。将上述支架的优化结果返回到CATIA模型中，并经过相应简化后。为了验证该优化方案的可靠性，特对此机构进行有限元分析计算，将此三维数模建立有限元模型，按极限工况计算其变形及应力分布，将其计算结果与之相比较可知：零件在两个工况下的位移和应力分布情况与壳模型计算的结果较为接近，并且满足零件的初始设计约束。同时，在实际零件设计中，对壳模型计算中的应力集中点菜用大圆角过度设计，零件的最大应力水平有显著降低。

3优化结果分析

在未引入优化设计方法之前，该零件的筋条布置往往参考相关机型同类型零件的设计或依据经验设计。为两个零件为以传统方式设计的未经优化的零件。通过拓扑优化和尺寸优化，在不改变零件材料且不牺牲自身弯曲刚度的前提下，实现了该零件的轻量化设计。在工况13个支架零件的应力和变形云图（左侧为应力云图，右侧为变形云图）。在工况1，3个零件的最大变形量基本一致并且最大应力接近，但是优化后零件相比零件A质量减轻15.5%，相比零件B质量减轻21.3%。如果考虑在支架腹板上增加液压及电缆通道的情况下，零件A和零件B需要在腹板处开孔，这两个零件的刚度还将进一步减弱。

4结束语

通过使用HyperWorks的结构优化软件，在给定的边界条件下通过拓扑优化技术寻找出在优化空间内的最佳材料布局，使悬挂支架在保持刚度的情况下，最终质量（相对零件A）由2.066kg减轻到1.745kg，最大应力由286.6MPa减小到268.1MPa，实现了零件结构的轻量化设计。将平尾后缘舱其余的悬挂支架以及普通肋进行类似的优化设计后共能减轻大约2~2.3kg质量。在初步设计阶段，悬挂支架及普通肋总重为10.7kg，即通过零件优化设计，能使其质量减轻约15.7%~17.7%。通过在初步设计阶段对优化软件的应用，可以发现对于零件设计而言，工况载荷输入及边界条件的设定对于整个优化流程相当重要。这些初始输入的简单变化也将导致拓扑优化的结果发生变化，进而使尺寸优化和形状优化的结果相差甚远。同时，在尺寸和形状优化过程中，设计变量的选取对计算结果的影响也非常明显，合理地选取这些参数能有效减少计算时间并且能取得较好的结果。由上述可知，平尾后缘舱悬挂支架的优化设计验证了HyperWorks软件的optistruct模块在高精度制造产品的成功应用，说明了该优化分析技术在航空制造产品行业中是非常优秀的，打破了设计工程师凭传统经验设计产品结构的历史，为机械结构设计提供理论依据和有效技术支持。随着航空技术的发展，optistruct模块的优化设计概念将会被越来越多的工程技术人员所接受并有效运用，届时它将真正成为航空产品结构设计工程师的左膀右臂。

作者：杜发喜单位：成都飞机工业有限责任公司