耳片接頭結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計與優(yōu)化

李開開

關(guān)鍵詞 耳片接頭結(jié)構(gòu) 參數(shù)化設(shè)計 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1引言

在現(xiàn)代飛機設(shè)計中，耳片接頭是一種常用的飛機結(jié)構(gòu)，其通常用來傳遞集中載荷。一般來說，有集中載荷傳遞的地方必須設(shè)置接頭。傳統(tǒng)的耳片接頭設(shè)計方法需要設(shè)計人員根據(jù)接頭的受載情況和使用條件確定耳片接頭的基本尺寸，然后再進(jìn)行強度校核，若強度不夠，則需要調(diào)整設(shè)計參數(shù)，再次進(jìn)行強度校核。在此期間，反復(fù)進(jìn)行迭代設(shè)計和強度校核，直至滿足強度要求。

傳統(tǒng)耳片接頭設(shè)計不僅耗時耗力，還需要設(shè)計人員具有豐富的設(shè)計經(jīng)驗。而且，為保證耳片接頭的安全性和可靠性，在設(shè)計耳片時，往往要留出較大的裕度，造成材料浪費。因此，需要找到一種兼顧安全性、可靠性并且能夠提高設(shè)計效率的耳片接頭設(shè)計方法。

劉木軍[1] 基于Catia 二次開發(fā)，根據(jù)經(jīng)驗公式對耳片進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，能夠快速對耳片進(jìn)行三維建模。彭世沖[2] 基于HyperWorks 對飛機耳片結(jié)構(gòu)多種工況進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化分析，明顯減輕了耳片的重量。馬大衛(wèi)[3] 通過多項式擬合7075 鋁合金耳片材料性能參數(shù)與耳片結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，通過Matlab 開發(fā)可視化程序，實現(xiàn)了耳片的自動化設(shè)計。

以上研究基于對稱耳片，能夠簡化耳片設(shè)計流程。但是，基于經(jīng)驗公式的設(shè)計仍然存在較大的裕度?；谕?fù)鋬?yōu)化雖能大幅減輕耳片的重量，但是沒有進(jìn)行疲勞壽命分析。本文結(jié)合常用的有限元仿真和疲勞壽命分析軟件，對復(fù)雜和重復(fù)的設(shè)計流程進(jìn)行整理，通過參數(shù)優(yōu)化使耳片接頭結(jié)構(gòu)更安全、質(zhì)量更小。

2參數(shù)化設(shè)計

Catia 是一款功能強、開放性強的工業(yè)軟件，具有強大的曲面造型能力，是大型企業(yè)的首選軟件[4] 。針對不同的用戶需求，Catia 提供了不同的二次開發(fā)方式。根據(jù)內(nèi)部API 豐富程度不同，可分為批處理腳本、宏命令和CAA 組件開發(fā)方式。批處理腳本開發(fā)方式只能進(jìn)行命令的批量執(zhí)行，不能與用戶交互;宏命令方式在批處理腳本的基礎(chǔ)上增加了與用戶交互的接口，其接口較豐富;CAA 組件開發(fā)方式的功能最強大，但是因其復(fù)雜性較高，對開發(fā)者而言使用難度較大。因此，使用宏命令開發(fā)方式是大多數(shù)工程設(shè)計人員的首選，本文亦采用該方式進(jìn)行耳片接頭的參數(shù)化建模。

耳片接頭一般由支座和耳片構(gòu)成，常用的耳片接頭有直耳片和斜耳片。目前，直耳和對稱斜耳片的研究資料較為豐富。由于通過改變耳片傾角可以將非對稱斜耳片轉(zhuǎn)變?yōu)橹倍蛯ΨQ斜耳片。因此，本文將研究對象設(shè)定為非對稱斜耳片。如圖1 所示，非對稱斜耳片接頭可由耳片內(nèi)孔徑d，耳片外徑D、耳片傾角α、β，耳片到端部距離g，耳片厚度t 確定。

雖然耳片接頭可由上述6 個參數(shù)確定，但在實際設(shè)計中，受限于結(jié)構(gòu)空間和裝配約束，并非全部設(shè)計參數(shù)可參與優(yōu)化。本文以耳片外徑D、耳片傾角α、β，耳片厚度t 作為可設(shè)計變量，通過宏腳本更新參數(shù)和模型，并導(dǎo)出文件供Abaqus 軟件使用，如圖2 所示。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1優(yōu)化流程

如圖3 所示，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化開始之前，首先要確定優(yōu)化變量。Isight 根據(jù)設(shè)置生成若干組待優(yōu)化參數(shù)，每一次循環(huán)通過CATIA 接口調(diào)用Catia 進(jìn)行參數(shù)化建模并導(dǎo)出模型文件。調(diào)用Abaqus 接口將Catia 生成的模型導(dǎo)入Abaqus 進(jìn)行有限元分析，并提取最大Mises 應(yīng)力作為約束條件，提取模型質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)。調(diào)用Fe?safe 接口，將Abaqus 計算的結(jié)果文件作為輸入，進(jìn)行疲勞分析，并在Fe?Safe 的分析結(jié)果文件中提取疲勞壽命作為第二個約束條件。提取優(yōu)化參數(shù)和約束條件后，Isight 可根據(jù)不同的算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

3.2靜力分析

本例中耳片和螺栓材料均為30CrMnSiA。由于不關(guān)注螺栓的應(yīng)力情況，可將連接螺栓設(shè)置為剛體。30CrMnSiA 的彈性模量E = 210000MPa，泊松比μ =0.3。以耳片接頭荷載Px =10000N，Py =-5000N 為例進(jìn)行有限元計算。為便于自動劃分網(wǎng)格，簡化模型，清除園角，底座由耳片根部固定端約束代替。如圖4所示，耳片根部設(shè)置為固定端約束，螺栓設(shè)置為剛體，荷載施加在螺栓參考點上，約束Z 向位移和X 軸、Y軸、Z 軸轉(zhuǎn)動自由度，在X 軸、Y 軸方向施加集中力。耳片接頭使用實體單元C3D8R 劃分網(wǎng)格，連接螺栓使用剛體單元R3D4 劃分網(wǎng)格。

3.3疲勞分析

目前，主要的金屬疲勞分析方法有應(yīng)力疲勞分析和應(yīng)變疲勞分析。采用應(yīng)力疲勞分析方法時需要了解材料的疲勞壽命曲線。由于耳片與螺栓的相對運動，耳片會不斷被螺栓擦蝕，因此選擇考慮擦蝕影響的30CrMnSiA 疲勞壽命曲線。

在本文中，疲勞分析軟件采用Fe?safe，F(xiàn)e?safe 軟件與Abaqus 軟件集成于達(dá)索有限元分析組件，其與Abaqus 軟件結(jié)合緊密，方便使用。使用Fe?safe 軟件進(jìn)行疲勞壽命分析時，需要先使用Abaqus 軟件對分析目標(biāo)進(jìn)行靜力分析，得到包含應(yīng)力應(yīng)變信息的靜力結(jié)果文件，導(dǎo)入Fe?safe 軟件分析疲勞壽命。導(dǎo)入30CrMnSiA 的全壽命疲勞曲線，輸入材料抗拉強度（UTS）σb = 1080MPa，彈性模量E = 210000MPa，屈服強度σ0.2 = 835MPa。耳片在使用時存在加載和卸載情況，因此采用如圖所5 示的三角形橫幅載荷循環(huán)。

3.4Isight 參數(shù)優(yōu)化

Isight 主要由軟件調(diào)用接口組件和Optimazation組件組成。軟件調(diào)用接口組件在優(yōu)化設(shè)計中起到膠水的作用，其內(nèi)置的軟件調(diào)用接口可根據(jù)用戶需求結(jié)合其他軟件搭建優(yōu)化流程。對于尚未內(nèi)置接口或者接口不能滿足優(yōu)化需要的軟件， Isight 可以通過Simcode 通用集成接口組件進(jìn)行軟件調(diào)用，以便搭建優(yōu)化流程。Optimazation 組件是Isight 中另一重要組件，用于選擇優(yōu)化算法、設(shè)置優(yōu)化條件和目標(biāo)，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程的控制臺。

圖6 所示為本文搭建的優(yōu)化框架，使用應(yīng)用程序調(diào)用接口組件集成Catia，Abaqus，F(xiàn)e?safe 軟件。其中，Catia 為參數(shù)化設(shè)計模塊，通過Catia 自帶的宏命令來修改三維數(shù)模并導(dǎo)出模型文件。Abaqus 通過abaqus.py 文件導(dǎo)入Catia 模型文件，進(jìn)行有限元計算并輸出模型質(zhì)量和最大Mises 應(yīng)力。Fe?safe 通過導(dǎo)入Abaqus 的靜力結(jié)果文件進(jìn)行疲勞分析，輸出疲勞壽命作為優(yōu)化約束條件。Optimazation 組件根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化算法，控制程序循環(huán)運行。

Isight 內(nèi)置了許多優(yōu)化算法，其中，自適應(yīng)模擬退火算法（ASA）不僅能區(qū)分局部最優(yōu)解，還是時間復(fù)雜度較低的一種算法。因此，本文選用自適應(yīng)模擬退火算法（ASA）作為優(yōu)化算法。在Optimazation1 組件中設(shè)置優(yōu)化變量耳片外徑D 和耳片傾角α、β，耳片厚度T 優(yōu)化范圍，設(shè)置最大Mises 應(yīng)力和疲勞壽命為優(yōu)化約束，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為結(jié)構(gòu)重量最小。優(yōu)化變量變化范圍如表1 所列。最大Mises 應(yīng)力上限設(shè)置為30CrMnSiA 的抗拉強度的80%，留出20%的安全裕度，疲勞次數(shù)設(shè)置為30000 次。

3.5優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化分析后，可以得到最終優(yōu)化變量結(jié)果如表2 所示。優(yōu)化前，耳片的最大Mises 應(yīng)力為544.74，疲勞壽命為89 554 cycles;優(yōu)化后，耳片的最大Mises應(yīng)力為624.17 MPa，疲勞壽命為53 170 cycles，滿足約束條件。優(yōu)化前，模型質(zhì)量為31 g;優(yōu)化后，模型質(zhì)量為21.05 g。在最大Mises 應(yīng)力提高12.7%的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量減少32.1%。

4結(jié)語