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      某型飛機(jī)操縱搖臂拓?fù)鋬?yōu)化研究

      2015-09-01 16:31:59劉軍
      科技視界 2015年25期
      關(guān)鍵詞:拓?fù)鋬?yōu)化剛度

      劉軍

      【摘 要】鑒于拓?fù)鋬?yōu)化方法在國外飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的成功應(yīng)用,在HyperWorks 軟件中對(duì)某型飛機(jī)襟翼操縱搖臂在給定體積和應(yīng)力約束條件下以總剛度最大化為目標(biāo)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì),然后通過尺寸和形狀優(yōu)化進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過CATIA 軟件對(duì)優(yōu)化結(jié)果重建模并對(duì)最終結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,可以發(fā)現(xiàn)使用本文的方法得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)在提高剛度的條件下,與原結(jié)構(gòu)相比減重達(dá)21.32%。

      【關(guān)鍵詞】拓?fù)鋬?yōu)化;尺寸優(yōu)化;操縱搖臂;剛度

      0 前言

      在常規(guī)的飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,在概念設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)人員主要依靠以往的經(jīng)驗(yàn)以及工程判斷確定所設(shè)計(jì)零部件的結(jié)構(gòu)形式。而面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者在結(jié)構(gòu)形式完全未知的情況下,傳統(tǒng)優(yōu)化方法需要多次迭代設(shè)計(jì)才能得到滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu),但卻不能保證結(jié)構(gòu)形式的最優(yōu)化和結(jié)構(gòu)重量的最小化。而基于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計(jì)方法可以很好的解決該問題,因此近些年基于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計(jì)逐漸被引入到飛行器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。

      1 拓?fù)鋬?yōu)化介紹

      拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是具有創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),是指在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的材料分布,或者傳力路徑,從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計(jì)。

      拓?fù)鋬?yōu)化的材料模式采用密度法(SIMP方法),即將有限元模型設(shè)計(jì)空間的每個(gè)單元的“單元密度”作為設(shè)計(jì)變量。該“單元密度”同結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)有關(guān)(單元密度與材料彈性模量E之間具有某種函數(shù)關(guān)系),0~1之間連續(xù)取值,優(yōu)化求解后單元密度為1(或者靠近1)表示該單元位置處的材料很重要,需要保留;單元密度為0(或靠近0)表示該單元處的材料不重要,可以去除,從而達(dá)到材料的高效利用,實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

      拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在實(shí)際工程中的最大困難是可制造加工性,一個(gè)在現(xiàn)有工藝條件下不能被加工,或者加工成本很高的優(yōu)化結(jié)構(gòu),是沒有任何使用價(jià)值的。因此在作拓?fù)鋬?yōu)化時(shí),必需考慮到零件的可加工性。

      2 詳細(xì)優(yōu)化過程

      2.1 原始模型及輸入條件

      上圖1所示為操縱搖臂原始設(shè)計(jì),其中A點(diǎn)為加載點(diǎn),B點(diǎn)及C點(diǎn)為約束點(diǎn)。

      A點(diǎn)通過關(guān)節(jié)軸承連接驅(qū)動(dòng)臂,因此只受到一個(gè)集中載荷F,將集中載荷F按Y與Y方向分解,得到X方向載荷Fx為4856N,受到的Y方向載荷Fy為23877N。

      B點(diǎn)與C點(diǎn)通過關(guān)節(jié)軸承連接到襟翼翼面的耳片上,為保證B點(diǎn)的耳片不受到面外力,即B點(diǎn)不受到X方向的分解力,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將單雙耳連接處設(shè)置一定的間隙老保證傳力路線的斷裂。在計(jì)算模擬時(shí),則B點(diǎn)只受到Y(jié)向的位移約束,X方向的位移和XY方向的轉(zhuǎn)動(dòng)都是自由放開的;C點(diǎn)則受到X,Y兩方向的位移約束,而X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)也是自由放開的。

      2.2 約束條件

      對(duì)原始模型進(jìn)行強(qiáng)度剛度計(jì)算,得到原始結(jié)構(gòu)最大變形為12.24mm,優(yōu)化模型需要相對(duì)于原始模型,不減弱其強(qiáng)度和剛度的情況下,質(zhì)量最輕。因此,將優(yōu)化模型的約束條件為測量點(diǎn)位移設(shè)置為拓?fù)鋬?yōu)化的約束條件。

      2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

      將原先設(shè)計(jì)區(qū)域使用實(shí)體單元進(jìn)行填充,確定設(shè)計(jì)區(qū)域與非設(shè)計(jì)區(qū)域,選擇耳片連接區(qū)域的部分單元為非設(shè)計(jì)區(qū)域,考慮機(jī)加以及裝配工藝,對(duì)模型進(jìn)行道具進(jìn)出方向約束、對(duì)稱約束以及最大最小尺寸約束。優(yōu)化變量為設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)實(shí)體單元的單元密度。

      通過多步的迭代計(jì)算,模型優(yōu)化目標(biāo)在滿足約束條件的基礎(chǔ)上收斂,對(duì)零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化迭代,得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖2所示:

      由拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果可以清晰的得到結(jié)構(gòu)的傳力路徑,在新的設(shè)計(jì)中,應(yīng)該將材料布置在傳力路徑上,提高材料的使用效率。

      2.4 尺寸優(yōu)化

      按照拓?fù)鋬?yōu)化得到的材料分布情況,重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是不能完全按照拓?fù)涞慕Y(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì),需要根據(jù)設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的修改。

      按筋條走向?qū)⒘慵指畛啥鄠€(gè)區(qū)域,將每段緣條和每塊腹板厚度定義為設(shè)計(jì)變量,對(duì)它們進(jìn)行尺寸優(yōu)化,同樣以最大變形為設(shè)計(jì)約束,計(jì)算各個(gè)部分最佳的設(shè)計(jì)尺寸。 根據(jù)尺寸優(yōu)化的結(jié)果,得到最終的的改進(jìn)后零件數(shù)模。

      3 結(jié)果分析

      3.1 減重情況

      減重前零件重2.725kg,減重后重量為2.144kg,經(jīng)過優(yōu)化減重0.581kg,減重21.32%。

      3.2 應(yīng)力分布

      圖4給出了優(yōu)化結(jié)果最嚴(yán)酷工況條件下的應(yīng)力云圖。從云圖顯示的結(jié)果可以看出除卻局部應(yīng)力集中部位,新?lián)u臂上下緣條應(yīng)力在140~280MPa之間,筋條應(yīng)力在50~150MPa之間,腹板應(yīng)力在140~280MPa之間,這些結(jié)構(gòu)都在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi),并且應(yīng)力分布比較均勻,材料利用率較高。

      優(yōu)化后零件的最大變形為10.072mm,加載點(diǎn)的最大變形量為9.944mm,相對(duì)于優(yōu)化前12.239mm的最大變形,零件剛度提高11.43%。

      4 結(jié)論

      本文將基于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到某型飛機(jī)的機(jī)翼襟翼操縱搖臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,利用HyerWorks 軟件平臺(tái),經(jīng)過拓?fù)?、尺寸?yōu)化,得到了結(jié)構(gòu),在滿足應(yīng)力要求的同時(shí),既提高了零件的剛度,并且減重達(dá)21.32%。本文說明了基于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計(jì)方法在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值和前景,特別是設(shè)計(jì)工程實(shí)際中遇到的新型未知結(jié)構(gòu)時(shí),本文方法具有巨大的優(yōu)勢。但需要注意的是,當(dāng)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果抽象出幾何實(shí)體時(shí),對(duì)設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn)有一定要求。

      【參考文獻(xiàn)】

      [1]王奇,李維.OptiStrut 在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[C]//Altair 2011 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)論文集.

      [2]Hyperworks OptiStrut tutorials[Z].Altair 公司.

      [3]張勝蘭,等,編.基于HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008,10.

      [責(zé)任編輯:湯靜]

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