大型民用飛機(jī)翼身整流罩連接件優(yōu)化設(shè)計

石榮榮，許美娟

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司工程研發(fā)事業(yè)部，沈陽 110000）

0 引言

在航空領(lǐng)域，基于增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)的民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越廣泛，空客、商飛等國內(nèi)外一流飛機(jī)設(shè)計制造企業(yè)已經(jīng)具備此類型零件裝機(jī)應(yīng)用的經(jīng)驗，并逐步推廣。增材制造技術(shù)是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，實現(xiàn)零件的從無到有。這使得過去因受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造變?yōu)榭赡?。翼身整流罩連接件，常規(guī)鈑金構(gòu)型存在裝配難度大的問題，雖然機(jī)加構(gòu)型設(shè)計方案能夠解決裝配問題，但因受限于傳統(tǒng)加工工藝水平，機(jī)加構(gòu)型的翼身整流罩連接件加工困難、材料利用率低、強(qiáng)度裕度大，并非是高效結(jié)構(gòu)。為提高結(jié)構(gòu)效率，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，但是傳統(tǒng)工藝并不能滿足優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計方案的加工需求，而增材制造工藝可以解決這個問題。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和增材制造加工工藝的結(jié)合，能夠突破傳統(tǒng)加工工藝的限制，能夠設(shè)計并制造出更高效的翼身整流罩連接件。

1 結(jié)構(gòu)概述

翼身整流罩是由復(fù)雜曲面組成，位于機(jī)身機(jī)翼對接區(qū)（如圖1），對主起艙開口區(qū)及此區(qū)域內(nèi)安裝的各系統(tǒng)設(shè)備起到包絡(luò)維形、氣動光順的作用。翼身整流罩連接件連接翼身整流罩蒙皮和機(jī)身蒙皮，此處結(jié)構(gòu)均只承受局部氣動載荷及自身慣性載荷，承載能力較小。

圖1 翼身整流罩連接件示意圖

現(xiàn)役民用飛機(jī)翼身整流罩連接件的設(shè)計，通常為鈑金成型，與機(jī)身采用鉚接連接，與整流罩蒙皮采用固定托板螺母螺栓連接。但是此裝配方式難度較大，零件加工精度高，進(jìn)而增加生產(chǎn)成本。為解決這些問題，設(shè)計機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件，能夠增加翼身整流罩連接件安裝緊固件的區(qū)域，使之與整流罩蒙皮通過游動托板螺母安裝螺栓的形式連接。具體連接形式和翼身整流罩連接件的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件示意圖

2 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

相比鈑金構(gòu)型，機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件提高了強(qiáng)度，安全裕度過大，因此需通過進(jìn)一步的分析計算，實施優(yōu)化設(shè)計。具體地，采用ABAQUS軟件對機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件施加服役載荷，進(jìn)行強(qiáng)度分析。根據(jù)計算結(jié)果，保留受載較大區(qū)域和連接區(qū)的結(jié)構(gòu)，去除受載較小區(qū)域結(jié)構(gòu)材料。據(jù)此，采用CATIA軟件，對優(yōu)化的翼身整流罩連接件進(jìn)行三維重構(gòu)，并再次采用ABAQUS軟件對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，優(yōu)化結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，形成最終優(yōu)化構(gòu)型翼身整流罩連接件的設(shè)計方案。

2.1 設(shè)計輸入條件

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。根據(jù)CCAR25部等設(shè)計要求，翼身整流罩連接件優(yōu)化后的構(gòu)型應(yīng)當(dāng)滿足功能、強(qiáng)度、剛度等設(shè)計要求：a.作為連接件，需承擔(dān)原有的連接作用；b.因翼身整流罩連接件連接翼身整流罩與機(jī)身蒙皮，共兩處貼合面，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)變形控制在2 mm以內(nèi)的剛度要求；c.整流罩作為飛機(jī)重要的氣動表面，需要滿足氣動表面光滑和密封支持功能。

2）強(qiáng)度載荷輸入。經(jīng)對翼身整流罩整體細(xì)節(jié)有限元模型進(jìn)行分析，獲得機(jī)身整體坐標(biāo)系下翼身整流罩連接件的載荷工況，如表1所示。

表1 載荷工況

3）材料。機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件材料為7050-T7451鋁合金，基于增材制造工藝的優(yōu)化構(gòu)型翼身整流罩連接件采用性能與7050-T7451相近的AlSi10Mg材料，材料性能如表2所示。

畢業(yè)設(shè)計應(yīng)該以培養(yǎng)應(yīng)用型軟件人才為目標(biāo)，結(jié)合學(xué)科發(fā)展和當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)實際面向社會進(jìn)行擬題，鼓勵學(xué)生參加社會調(diào)研，使學(xué)生受到理論與實踐能力的綜合訓(xùn)練，以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)和嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

表2 材料性能

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.1 設(shè)計域與非設(shè)計域的定義

機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件在優(yōu)化時，需定義零件的設(shè)計域與非設(shè)計域，設(shè)計域定義為深灰色，非設(shè)計域定義為淺灰色，如圖3所示。其中，非設(shè)計域共包含兩部分結(jié)構(gòu)：1）實現(xiàn)翼身整流罩連接件連接功能的區(qū)域。翼身整流罩連接件通過A、B、C、D、E、F、G七處，實現(xiàn)與周圍結(jié)構(gòu)的連接。此重要連接區(qū)域，保留零件開孔及周邊部分結(jié)構(gòu)，設(shè)定孔周邊為非設(shè)計域；2）實現(xiàn)翼身整流罩連接件的整流維形、密封功能的區(qū)域。為實現(xiàn)此功能，H部分設(shè)為非設(shè)計域。

圖3 設(shè)計域與非設(shè)計域示意圖

2.2.2 優(yōu)化

本文基于ABAQUS軟件對翼身整流罩連接件計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化步驟為：1）建立機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件的三維數(shù)模，按要求拆分模型為設(shè)計域與非設(shè)計域兩部分；2）將完成拆分的三維數(shù)模導(dǎo)入ABAQUS軟件中，按照本文2.1節(jié)，定義其載荷和材料屬性。并在A、B、C三處建立鉸支約束，I點(diǎn)（零件長度方向的中心點(diǎn)）施加載荷，B、D、F、G四處與I點(diǎn)建立RBE2單元，進(jìn)行載荷分流。強(qiáng)度分析后，得到兩種工況下受載較嚴(yán)重工況的強(qiáng)度分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件應(yīng)力計算結(jié)果

分析圖4計算結(jié)果，機(jī)加構(gòu)型翼身整流罩連接件整體應(yīng)力水平比較低，強(qiáng)度裕度較大，應(yīng)力主要分布在連接孔位置處。

根據(jù)ABAQUS軟件計算結(jié)果，考慮增材制造工藝限制因素，如：零件厚度尺寸符合打印要求；考慮打印時設(shè)計最少支撐結(jié)構(gòu)。同時考慮結(jié)構(gòu)功能性要求、安裝要求，并且滿足強(qiáng)度要求的前提下，對零件做優(yōu)化設(shè)計。采用CATIA軟件對優(yōu)化構(gòu)型的翼身整流罩連接件進(jìn)行三維重構(gòu)，得到優(yōu)化構(gòu)型翼身整流罩連接件初步設(shè)計方案，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化構(gòu)型翼身整流罩連接件初步設(shè)計方案

采用有限元軟件ABAQUS 對初步設(shè)計方案進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)計算結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化優(yōu)化構(gòu)型的設(shè)計方案。經(jīng)過幾輪的迭代優(yōu)化，得到最終優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計方案，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化構(gòu)型翼身整流罩連接件

3 機(jī)加構(gòu)型和優(yōu)化構(gòu)型的對比分析

3.1 強(qiáng)度分析對比

3.1.1 計算結(jié)果對比

1）WTBF-01工況。計算WTBF-01工況（見表1），得到翼身整流罩連接件兩種方案的應(yīng)力云圖和位移云圖，分別如圖7和圖8所示。

圖7 WTBF-01工況應(yīng)力計算結(jié)果

圖8 WTBF-01工況位移計算結(jié)果

2）WTBF-02工況。計算WTBF-02工況（如表1），得到翼身整流罩連接件兩種方案的應(yīng)力云圖和位移云圖，分別如圖9和圖10所示。

圖9 WTBF-02工況應(yīng)力計算結(jié)果

圖10 WTBF-02工況位移計算結(jié)果

3.1.2 結(jié)論

根據(jù)圖7～圖10的計算結(jié)果，分別選取機(jī)加構(gòu)型和優(yōu)化構(gòu)型在兩種工況下的最大應(yīng)力及變形值，與設(shè)計要求進(jìn)行比較，具體如表3所示。

表3 機(jī)加構(gòu)型與優(yōu)化構(gòu)型的強(qiáng)度對比匯總表

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，優(yōu)化構(gòu)型和機(jī)加構(gòu)型的強(qiáng)度和剛度，均滿足零件的設(shè)計要求，機(jī)加構(gòu)型的安全裕度較大，結(jié)構(gòu)效率低；優(yōu)化構(gòu)型的安全裕度符合設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)效率更高。

3.2 質(zhì)量對比

根據(jù)2.1節(jié)材料性能，在CATIA軟件中賦予相應(yīng)材料密度，并進(jìn)行測量，獲得兩種不同構(gòu)型的質(zhì)量，具體如表4所示。

表4 機(jī)加構(gòu)型與優(yōu)化構(gòu)型的質(zhì)量對比

3.3 材料利用率對比

機(jī)加構(gòu)型：機(jī)加構(gòu)型的翼身整流罩連接件為厚板機(jī)加成型，所需毛料尺寸為510 mm×240 mm×101.6 mm，其質(zhì)量為27.70 kg，零件質(zhì)量為0.87 kg，材料的利用率為3.14%。

優(yōu)化構(gòu)型：優(yōu)化構(gòu)型的翼身整流罩連接件采用激光沉積增材制造工藝成型，其材料利用率高達(dá)90%以上。

4 結(jié)論

本文基于工程實際應(yīng)用，利用ABAQUS和CATIA計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，對翼身整流罩連接件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與分析，得到翼身整流罩連接件的優(yōu)化構(gòu)型。優(yōu)化構(gòu)型滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度要求，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，大幅提高材料利用率。具體如下：

1）強(qiáng)度。優(yōu)化構(gòu)型的翼身整流罩連接件的最大應(yīng)力為318.30 MPa（如圖7），小于材料的極限拉伸強(qiáng)度335 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

2）剛度。優(yōu)化構(gòu)型的翼身整流罩連接件的最大位移為1.55 mm（如圖8），小于結(jié)構(gòu)的變形要求（結(jié)構(gòu)變形＜2mm），滿足剛度設(shè)計要求。

3）質(zhì)量。優(yōu)化構(gòu)型的質(zhì)量為0.52 kg，相比機(jī)加構(gòu)型質(zhì)量的0.863 kg，實現(xiàn)減重40.22%。

4）材料利用率。優(yōu)化構(gòu)型的材料利用率達(dá)到90%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)加構(gòu)型的3.14%的材料利用率。

綜上，優(yōu)化構(gòu)型翼身整流罩連接件滿足設(shè)計要求，并且具備更高結(jié)構(gòu)效率、更低結(jié)構(gòu)質(zhì)量和更高的材料利用率。