基于HyperWorks的典型接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳昊

【摘 要】民用飛機(jī)中接頭是典型的支撐結(jié)構(gòu)件，在滿足設(shè)計(jì)耳片有效性的前提下，接頭的腹板，筋條等細(xì)節(jié)特征要素的位置分布及幾何尺寸對接頭的性能具有直接的影響，往往這類細(xì)節(jié)特征難以在設(shè)計(jì)初期考慮到位。本文通過基于HyperWorks對典型接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，驗(yàn)證對實(shí)際接頭設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)及參考意義。

【關(guān)鍵詞】接頭；拓?fù)?；設(shè)計(jì)

0 引言

在民用飛機(jī)固定后緣結(jié)構(gòu)中，接頭是典型常見的受力部件或元件之間的連接結(jié)構(gòu)。常用于與擾流板之間連接。在飛機(jī)接頭設(shè)計(jì)中接頭可以與構(gòu)件設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)件，也可設(shè)計(jì)成單獨(dú)的零件與結(jié)構(gòu)件連接。在滿足設(shè)計(jì)接頭耳片有效性的前提下，接頭的腹板、筋條、緣條、倒角的等細(xì)節(jié)特征在設(shè)計(jì)初期難以考慮，但這些細(xì)節(jié)特征卻對接頭的性能有重大的影響。所以在接頭設(shè)計(jì)初期基于HyperWorks在接頭設(shè)計(jì)空間中得到接頭的細(xì)節(jié)特征大致的位置分布及幾何尺寸從而對后期的接頭詳細(xì)設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo)或參考意義。

1 預(yù)期目標(biāo)

在給定的設(shè)計(jì)空間中獲得接頭最優(yōu)的材料分布包括緣條、筋條的位置、走向和形狀，同時(shí)確定腹板最佳厚度。從而滿足重量、緣條截面積、腹板厚度、靜強(qiáng)度、總體剛度、尺寸約束、截面剛度、穩(wěn)定性等要求。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

接頭設(shè)計(jì)初期為概念設(shè)計(jì)階段主要分為三種類型：拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化及自由尺寸優(yōu)化。接頭設(shè)計(jì)后期則為詳細(xì)設(shè)計(jì)階段主要包括三種類型：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及自由形狀優(yōu)化。

優(yōu)化設(shè)計(jì)包含三個(gè)要素為，設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)及約束條件。通過數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為：

式中U為形變能量（設(shè)計(jì)目標(biāo)）；Wa為對外做工（約束條件）；Fi作用力（設(shè)計(jì)變量）；Wi作用工（約束條件）。

通常而言，設(shè)計(jì)優(yōu)化的流程圖如圖1所示：

3 結(jié)果對比

本文中選取材料的屬性及支架設(shè)計(jì)空間幾何尺寸如表1及圖2所示：

接頭設(shè)計(jì)空間的有限元模型如圖3所示：

基于對該接頭的設(shè)計(jì)空間設(shè)置載荷工況及貼合面的約束，設(shè)計(jì)目標(biāo)為重量最小化及在加載情況的最小位置。載荷工況如表2所示，貼合面約束情況如上圖3所示：

基于不同的載荷工況，以及不同的約束條件，被優(yōu)化的接頭的形式也有所不同。同時(shí)，對于重量的要求不同，接頭結(jié)構(gòu)形式也隨之改變。由于優(yōu)化不包含工藝性考慮，一部分優(yōu)化結(jié)果無法實(shí)現(xiàn)。圖4選取了同種工況但約束不同的接頭優(yōu)化結(jié)果。

4 結(jié)論

本文通過上述有限元模型及拓?fù)溆?jì)算對典型接頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了通過采用HyperWorks對典型接頭設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)表明在不同工況及HyperWorks軟件內(nèi)的參數(shù)的設(shè)定下，對設(shè)計(jì)空間中接頭的結(jié)構(gòu)布局有較大的影響，比如筋條的位置尺寸和腹板厚度等。基于HyperWoks的接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果再進(jìn)行深度迭代計(jì)算優(yōu)化可對后期接頭的詳細(xì)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)及參考作用。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]