拓扑优化技术在整体结构件上的应用

                            朱胜利、郭 超、寇延清 第一飞机设计研究院 西安 710089

摘 要： 本文基于Altair公司的优化软件OptiStruct和solidThinking Inspire，对飞机结构拓扑优化做了对比，结果表明拓扑优化是减轻飞机结构重量、缩短研制周期的有效工具。Altair 公司的拓扑优化和增材制造结合，能有效实现大型整体结构的设计轻量化、制造高效化。

1 概述  

飞机设计水平的高低在一定程度上，是反映一个国家科研实力、创新能力的一个重要指标，而飞机结构轻量化设计是实现这一重要指标的一个前提基础。在飞机研制过程中，减轻飞机的结构重量对于提高飞机性能有着重要意义。据统计，在保证飞机性能的前提下，结构重量减轻 1%，可以减轻飞机总重 3%。由于重量的减轻，带来载荷的下降，减轻了飞机的负担。因此减轻重量是飞机设计师的重要使命，也是型号成败的关键。优化设计无疑是结构设计轻量化的一种重要手段，当然拓扑优化就是其中一员。区别于传统的经验式设计模式， 拓扑优化在设计初期就能给出满足性能要求的最优拓扑模型，而且具有轻量化的特点，是一 种新型的设计方法。

2 整体结构拓扑优化设计应用  

从整个飞机研制过程来看，主要包括概念设计阶段、方案设计阶段、打样设计阶段、详细设计阶段、试制阶段、试飞阶段、批生产阶段，其中方案设计阶段占研制周期比例最大，而且最为关键，决定着飞机的总体布置形式，相当于是决定飞机的“基因”链。此前，方案设计阶段设计主要采用召开大量协调会，依靠每位参会专家的经验知识来保证方案的合理性 和准确性，时间周期相对较长。且因与会专家的不同会产生方案分歧，导致前期方案颠覆。另外，由于协调问题考虑不全面、不系统、不完整，会使方案迭代时常会回到原点，带来设 计阶段的跨度迭代较大，浪费大量时间和成本。因此，也迫切需要通过优化设计手段使方案阶段也进行海量优化，使各阶段内的优化尽量发挥最大作用，而不是个别方案的人为认知筛选，减少大跨度设计迭代，同时尽可能降低设计反复的概率，拓扑优化是方案设计阶段进行传力材料布置优化设计的妙计良方。

为了提高结构效率，减轻结构重量，提升武器装备的性能，拓扑优化技术已在飞机结构设计中大型整体承力构件和结构功能一体化构件中得到越来越广泛应用。比如滑轮架设计、翼身对接接头设计，以及发动机安装支架设计，采用拓扑优化技术和增材制造技术可以实现 30%左右的材料、60%左右的制造周期完成生产，成为保障飞机研制进度和性能的重要技术支撑。

                                                    图 1 滑轮架拓扑优化设计

                                                    图 2 翼身对接接头拓扑优化设计

                                          图 3 发动机安装支架拓扑优化设计

从众多拓扑优化后的方案构型来看，经过拓扑优化后的设计方案对传统的制造方式提出新的挑战。因为传统的制造方法对产品模型具有对称性、相对固定尺寸、可重复制造等要求。而拓扑优化技术只有在不考虑制造工艺约束时才具有更好的效果。因此，尽管工程师们通过拓扑优化方法设计出了结构独特、高性能的产品模型，但往往因为可制造性问题，只能遵循 “实现性优先”的原则，而舍弃掉产品在轻量化、高性能上的优势。随着轻量化、大型化、 整体化的设计理念的发展，低成本、大型结构件的制造技术逐渐成为影响我国装备能力提升的一项瓶颈技术。然而，增材制造技术的出现很好地解决了这一大难题，其与传统的制造方法相比，具有可控性，由小到大从点到线到面再到体积，可先局部后整体；空间可无约束等特点，可实现高性能金属材料制备与大型零件“近净成形”一步完成。增材制造的零件具有细小、均匀的快速凝固组织，综合力学性能优异，可实现复杂的结构功能一体化设计的零件制造。零件材料利用率高（可比锻件提高 5 倍以上）、机械加工余量小、数控加工时间短（可 减少 80%以上）。制造周期短（可缩短 1/3 以上）、成本低（可降低 1/4 以上）。柔性高并具 有对产品及结构设计变化的“快速响应”能力。而且通过对优化后的增材制造加工模型采取 数字加工过程仿真，分析其残余应力和变形，并可将此变形通过一定算法反向叠加到原始模 型上进行生产模型的修正。

                                                                图 4 增材制造工艺分析以及模型反算修正

拓扑优化技术与增材制造技术的联合，可实现大型整体高强、高韧钛合金激光成形承力结构件和结构功能一体化构件的装机应用，可解决大型整体钛合金构件减重量、缩周期，降成本等难题。下图 5 就是应用 solidThinking Inspire 软件针对接头零件开展的基于传统减材制造的设计和基于拓扑优化的增材制造的设计研究，经过分析比较，综合性能都满足要求的前提下，至少节约重量 40%。

                                    图 5 接头零件传统减材制造和增材制造设计对比

目前，我们已开展了金属、复材结构的大量拓扑优化设计，在型号中得到很好应用，给型号结构方案设计提供了非常大的帮助，而且为型号减重，解决型号重量瓶颈难题立下汗马功劳。同时，我们开展了型号部件级结构的拓扑优化设计，在后机身设计中就应用了拓扑优化设计，减重效果非常明显，清晰的描绘出了后体结构的布置方案，优化后的结构承载效能有很好的提高。我们目前正在进一步扩大研究范围和规模，正在探索整个机身部件、整个机翼结构等整机级的拓扑优化设计，为挑选一型型号终极优化结果开展相关研究。因此，拓扑 优化设计技术研究成果将在未来先进战斗机、大型民用客机、支线飞机、直升机以及各类高推重比航空发动机等重大武器装备研制生产中具有重大应用价值和广阔应用前景。

                            图 6 拓扑优化技术在飞机机身结构设计中的探索应用

4 结束语

将结构拓扑优化方法应用于飞机结构布局方案设计过程中，可以获得最佳的结构形式和材料分布，使结构传力更加直接和高效，且有效减轻飞机结构重量，提高飞机性能。相对于传统的设计方法，全新的设计理念帮助设计师们以更快的速度确定性能更高、重量更轻、结构更可靠的布局形式，可为初期阶段设计的产品提供清晰的设计思路，减少设计反复。同时，随着加工制造手段的不断更新，现代飞机结构上已逐步开始使用先进成型工艺技术如激光电子束成型和激光粉末堆积成型等方法，也为拓扑优化设计的产品打开新型制造的窗口，使得飞机整体结构件的设计更为轻巧合理，重量显著降低，研制的周期大为缩短。

5 参考文献

[1]张胜兰,郑冬黎,等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].机械工业出版社,2007. 

[2]李楚琳,张胜兰,等.HyperWorks分析应用实例[M].机械工业出版社,2008. 

[3]邓扬晨,张卫红,朱继宏,等.飞机翼面结构概念设计方法研究[J].航空学报,2003. 

[4]刘志强,王明强.基于SIMP拓扑优化理论的结构概念设计研究[J].江苏科技大学学报 2006. 

[5] 李金国,等.基于HyperMesh的有限元前置优化设计[J].制造业信息化, 2005.

    【想获得更多信息，请加技术邻微信客服 jishulink888。也可以申请试用、免费测算、报名培训、研发人员20人以上的企业可以申请免费上门内训】