飛機(jī)舵面懸掛支架優(yōu)化設(shè)計探索

（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210）

摘 "要：本文初步探索了在飛機(jī)舵面懸掛支架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用Optistruct優(yōu)化軟件中的拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化功能，可以快速精確的求得較優(yōu)的解決方案，能有效的提高設(shè)計的效率，同時獲得更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：懸掛支架;拓?fù)鋬?yōu)化;尺寸優(yōu)化;形狀優(yōu)化

1 引言

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，舵面懸掛支架用于將舵面的氣動載荷和慣性載荷傳遞給主承力結(jié)構(gòu)，往往需要承受較大的集中載荷。此外，由于氣流不穩(wěn)定或舵面操縱引起的顫振，對懸掛支架疲勞設(shè)計提出要求。同時操縱舵面所需要的做動器液壓管路和控制電纜需要通過這些懸掛支架，需要在支架上開口以保證設(shè)計通路。以上這些因素對懸掛支架的設(shè)計提出了較高的要求，用常規(guī)的經(jīng)驗設(shè)計方法往往需要經(jīng)過多次的迭代，才能設(shè)計出較為符合要求的零件。因此為了獲得較輕的結(jié)構(gòu)重量和縮短設(shè)計開發(fā)時間，需要使用新的設(shè)計工具。

2 Optistruct優(yōu)化軟件

Optistruct是專門為產(chǎn)品的概念設(shè)計和精細(xì)設(shè)計開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化工具，是一種以有限元方法為基礎(chǔ)的優(yōu)化工具，憑借拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，可以產(chǎn)生精確的設(shè)計概念或布局[1]。

它是當(dāng)今最成熟的也是應(yīng)用最廣泛的優(yōu)化類軟件，國外的汽車部件或整車大都使用該軟件進(jìn)行優(yōu)化，但是在飛機(jī)設(shè)計領(lǐng)域還尚未普及。很大一部分原因在于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜以及載荷工況-邊界條件的難以確定[2]。但是對于單個零件而言，仍然可以通過簡化模型以及加載條件來進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化。并且在此基礎(chǔ)之上，采用尺寸和形狀優(yōu)化工具來獲得更輕的結(jié)構(gòu)，或者得到更好的剛度強(qiáng)度設(shè)計。

3 懸掛支架優(yōu)化設(shè)計

3.1 模型簡化

圖1所示懸掛支架的簡化受力模型，將三維模型載入HyperMesh后抽取中面，整個模型采用殼單元模擬。

鉸鏈點(diǎn)處的集中載荷由耳片處的螺栓組傳遞給支架，支架與上、下梁緣條各通過8個螺栓連接，梁則用一段“工”字型梁模擬。支架腹板區(qū)域為可設(shè)計區(qū)域，其余部分為非可設(shè)計區(qū)域。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化amp;形狀優(yōu)化

選取合適的計算參數(shù)后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到如圖2計算結(jié)果，所示為單位密度大于0.5的元素。在可設(shè)計區(qū)域內(nèi)優(yōu)化后的傳力路徑非常清晰。

根據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行尺寸amp;形狀優(yōu)化，需要在支架傳力路徑上增加加強(qiáng)筋條。由于立筋的增加，為了準(zhǔn)確模擬耳片與加強(qiáng)筋之間的傳力，需將拓?fù)鋬?yōu)化時的單耳片改為雙耳片（圖3）。

在這一步優(yōu)化中，以筋條處的典型剖面為例（圖4），筋條的高度和厚度以及筋條兩邊腹板的寬度和厚度都是可設(shè)計變量。其中t1～t3為尺寸設(shè)計變量，h3、w1和w2是形狀設(shè)計變量。因此本模型中變量的數(shù)量很多，各個變量之間對結(jié)果存在著復(fù)雜的影響關(guān)系?；谧罱K的優(yōu)化結(jié)果對參數(shù)的變化十分敏感，因此尺寸amp;形狀優(yōu)化需要經(jīng)過幾輪迭代后才能取得一個可信的結(jié)論。

當(dāng)然在尺寸優(yōu)化中，減少某些設(shè)計變量或者將關(guān)聯(lián)的設(shè)計變量進(jìn)行整合有利于計算，同時較少的尺寸變量也便于制造。如將所有筋條高度、筋條厚度和腹板厚度各自整合為一個變量。

4 幾何模型

在尺寸amp;形狀優(yōu)化這一步計算中，形狀優(yōu)化得出的結(jié)論為減輕孔的存在對于零件的剛度有較大的影響。但是由于懸掛支架腹板必須開口作為系統(tǒng)管路的通道，并且也可以作為安裝檢修通道，因此保留適當(dāng)大小的減輕孔是必要的。

將上述支架的優(yōu)化結(jié)果返回到CATIA模型中，針對優(yōu)化模型中對部分應(yīng)力較高的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，并對應(yīng)力集中的倒角進(jìn)行增大，結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。圖5（b）為未經(jīng)優(yōu)化的僅有系統(tǒng)管路通道開口的零件作為對比。

將此三維數(shù)模建立有限元模型，按極限工況計算其變形及應(yīng)力分布，可得到如圖6結(jié)果。

如表1所示，當(dāng)保持兩個零件重量基本相等時，在極限載荷下兩者的位移基本相同，但是優(yōu)化零件的最大應(yīng)力大約為254MPa，而未優(yōu)化零件的最大應(yīng)力約為303MPa。同時由于優(yōu)化零件有加強(qiáng)筋的存在，能有效提高腹板面的抗失穩(wěn)性，相對于未優(yōu)化零件平板型腹板存在明顯優(yōu)勢。

5 總結(jié)

上述工作展示了拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等工具在飛機(jī)設(shè)計領(lǐng)域的初步應(yīng)用。這些工具的使用能有效的減少零件的概念實際、詳細(xì)設(shè)計所花費(fèi)的時間，同時也能取得較好的設(shè)計。

但是同時也顯示了，完整的邊界條件、詳細(xì)的工況輸入、成熟的目標(biāo)定義對于優(yōu)化迭代的準(zhǔn)確性是非常重要的。當(dāng)然，在實際工程應(yīng)用中，取得最優(yōu)化的結(jié)果往往是不切實際的，也是不實用的。如何在一個在較大的可行設(shè)計空間內(nèi)能滿足性能要求的、較優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，是一個可行也是具有實際意義的探索方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]于開平，周傳月，譚惠豐等.Hypermesh從入門到精通[M].-北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]Lars Krog， Alastair Tucker and Gerrit Rollema. Airbus UK Ltd. Airbus UK Ltd Bristol BS99 7AR.