133_OptiStruct拓扑优化技术在飞机前起落架舱侧壁结构优化设计中的应用_冯斯栋

Altair 2011 HyperWorks技术大会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集 - 1 - OptiStruct拓扑优化技术在飞机前起落架舱侧壁结 构优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中的应用 冯斯栋 寇艳荣 西安飞机工业集团有限责任公司技术中心 陕西 西安 710089 摘 要：前起落架舱侧壁是飞机前起落架舱的重要组成部分，为前起落架提供连接支撑并 传递起落架载荷。本文基于 Altair OptiStruct软件领先的优化技术，对新涡桨飞机前起舱侧 壁结构进行了整体拓扑优化，并对存在较大应力集中区的起落架连接交点位置进行了局部拓 扑优化，根据优化结果对前起舱侧壁结构进行了改进设计，得到了前起舱侧壁结构的最佳设 计形式，使其材料分布更加合理，为后续参数优化设计奠定基础。 关键词：OptiStruct，整体拓扑优化，局部拓扑优化，最佳设计，材料分布 0 引言 随着科学技术的日益发展，飞机设计的数字化程度迅速提高。在飞机结构设计和强度设 计领域，CAE技术已被广泛应用。作为 CAE技术中一个非常重要的组成部分，结构优化技 术已经发展成熟并成功地被应用于产品设计中。它在产品设计初期可以考虑产品所需性能， 在给定的设计空间下找到最佳的产品设计思路。结构优化技术正在以天生的优势改变着传统 的产品设计流程。 拓扑优化技术是在特定的设计空间、载荷和边界条件的前提下，寻求材料的最优分布。 它的特点就是在产品概念设计阶段，在不知道结构形状的前提下，得到合理的结构形式，提 出最佳形状设计。拓扑优化与尺寸优化和形状优化相比，能获得更大的结构效率。因此，在 产品概念设计，拓扑优化技术在各行业正被日益重视。 Altair OptiStruct 是一个以有限元法为基础，面向产品设计、分析和优化的有限元和结 构优化求解器。拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌 优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化等。目前，已在航空航天等多个领 域得到了 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 验证。 在新涡桨飞机前起舱侧壁结构的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计阶段，采用 OptiStruct优化技术对前起舱侧壁 结构进行了整体拓扑优化，得到前起舱壁板结构的材料分布，并对存在较大应力集中区的起 落架交点位置进行了局部拓扑优化，通过优化设计，使前起舱侧壁结构的材料分布更加合理， 明显地降低结构应力水平，减小了结构的位移变形，提高了结构的强度性能。 1 拓扑优化数学模型 拓扑优化研究包括连续拓扑和离散拓扑，连续拓扑优化的方法包括均匀化方法、变密度 法、渐进结构优化法以及水平集方法等，离散拓扑优化的方法包括遗传基因法等。在前起舱 侧壁拓扑优化设计中，采用了变密度法对其进行了连续性拓扑分析，因此，这里仅对变密度 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 2 - 法进行介绍。 在变密度法中，弹性模量 E 和密度 p 被用做每个设计单元的中间变量，而实际的设计 变量 x则是正则化密度， x使用以下关系将设计单元的弹性模量 E 和密度 p 关联起来，见 （1）、（2）式。 x0ρρ = （1） PxEE 0= （2） 式中， 0E 和 0ρ 分别表示结构的弹性模量和密度。P 为惩罚因子，用于迫使设计变量 的值在 0~1之间。惩罚因子的值通常取 2~5之间的值。 边界条件可用下式描述： 0.1≤≤ ixη Ni ,,2,1 ⋅⋅⋅= （3） 式中，η使一个较小的正数，用于防止结构刚度奇异。 2 优化设计 前起舱侧壁主要由壁板、立柱和纵向件组成。通过对初始设计结构的强度分析，确定优 化步骤。前起舱侧壁优化设计分为三个阶段，第一阶段进行整体优化分析，确定立柱和纵向 件的材料分布，第二阶段进行局部优化分析，确定起落架连接交点部位的材料分布，第三阶 段是根据前面两个阶段的优化分析结果，对结构进行改进设计。 2.1 整体优化设计 前起舱侧壁的整体优化模型是在前机身有限元细节模型的基础上，参考立柱和纵向件为 垂直和水平布置的特点，在壁板上建立垂直和水平密肋，所有单元均采用板壳单元，优化的 设计变量为所有密肋的材料密度，这样，优化得到的立柱和纵向件为垂直和水平布置，优化 模型见图 1。 图 1 优化模型 设计变量：165根肋的均一单元密度（0－1） 优化约束： 体积分数<0.4 密肋综合应力<400 MPa 优化目标：起落架连接交点位移最小 优化算法经过数次迭代计算，得到最终侧壁结构的材料分布，见图 2，从拓扑优化结果 可以看出，侧壁板材料主要集中在前起舱侧壁的后端，对传递起落架载荷起到较大的贡献， 符合实际情况。 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 3 - 图 2 拓扑优化结果 2.2 局部优化设计 通过整体拓扑优化，确定立柱和纵向件的材料分布，后续只需对结构进行局部调整即可。 根据对初始设计分析结果可知，起落架连接交点部位应力水平较高，需要对其部位进行改进 设计，采用三维实体单元，建立局部拓扑优化有限元模型，对起落架连接交点部位进行拓扑 优化，得出起落架载荷的最佳传力路径，局部拓扑优化模型见图 3。 图 3 壁板局部拓扑优化模型 设计变量：如图 3所示设计区域的单元密度（0－1） 优化约束： 体积分数<0.3 综合应力<400MPa 优化目标：壁板柔度最小 经过优化迭代得到前起舱侧壁起落架连接交点部位的材料分布，见图 4。 图 4 局部拓扑优化结果 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 4 - 2.3 改进设计 根据整体及局部优化结果和初始设计分析结果对结构进行适当调整。与初始设计结构相 比，增大起落架交点位置圆的半径，顺航向的肋改为倾斜的肋，壁板在起落架连接交点位置 区域增加壁板和肋的厚度，在远离交点位置区域减小壁板和肋的厚度，增加交点附近位置圆 角半径。初始设计结构见图 5，改进设计后结构见图 6。 图 5 优化前初始设计结构 图 6 优化后改进设计结构 从优化前分析结果可知，前起舱侧壁结构高应力区域大，应力水平高，见图 7。通过拓 扑优化后，高应力区域明显减小，应力水平显著降低，见图 8。 图 7 优化前壁板应力云图 图 8 优化后壁板应力云图 3 结束语 通过拓扑优化设计，使前起舱侧壁结构的材料分布更加合理，改进后的结构重量较初始 设计时增加了5%，但应力水平降低了57%，大大提高了结构强度性能，为后续参数优化设 计奠定了基础。OptiStruct拓扑优化技术在新涡桨飞机前起落架舱侧壁结构优化设计中的成 功应用，为以后优化技术在飞机结构上的广泛应用提供了经验积累。 4 参考文献 [1] Hyperworks OptiStrut tutorials，Altair 公司 [2] 张胜兰等编著,基于 HyperWorks的结构优化设计技术,机械工业出版社,2008,10 第 1 版. Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 5 - OptiStruct topology optimization technology applied on the optimization design about the sidewall structure of the aircraft nose landing gear bay Sidong feng Yanrong kou Abstract: The sidewall of nose landing gear bay is important part, that is provided to connect the nose landing gear and transmit gear load. The article introduce the whole topology optimization applied on the nose landing gear bay sidewall of the new turboprop aircraft based on the Altair OptiStruct software lead optimization technology, and depict a local topology optimization on the larger stress concentration zone about the landing gear connecting nodal position, according to the optimization results, the nose landing gear bay side wall structure is improvement designed, and gained the optimal design shape of ones, the material distribution is more reasonable, to lay the foundation for the following parameters optimization design. Key words: Optistruct the whole topology optimization local topology optimization optimal design material distribution