拓扑优化方法在航空用钣金零件设计中的应用

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1、RESEARCH研究论文拓扑优化方法在航空用钣金零件设计中的应用王凤(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015)【摘要】为了满足航空产品高载重量及低耗油率的要求，采用拓扑优化技术对航空用钣金零件进行结构优化，实现了钣金零件强度高和重量轻的指标。案例分析表明，在航空用钣金零件初始设计阶段引入拓扑优化方法，会比设计过程中单纯使用结构尺寸优化和形状优化获得更大的经济效益。关键词：航空产品；钣金零件；拓扑优化；有限元分析ApplicationofTopologyOptimizationTechniquetotheDesignofA

2、viationSheetMetalPartsWANGFeng(AECCShenyangEngineResearchInstitute，Shenyang10015，China)IABSTRACT】Inordertoobtainthehighcarryingcapacityandlowoil-consumption，thetopologyoptimizationtechniquewasusedinthedesignofaviationsheetmetalpanswhichisaeffectivemethodtoachievehi

3、gh—intensityandminimumweightproducts．Itcanbefoundthattheanalysisoftopologyoptimizationwasdonetooriginalstructure，andtheresultwasfargreatersavinganddesignimprovementthansizingorshapeoptimization．Keywords：Aviationproduction；Sheetmetalpans；Topologyoptimization；Finitee

4、lementanalysisDOI：10．16080／j．issn1671—833x．2017．1／2．087钣金件与一般的机械加工件有很大的不同，钣金零件通常是薄板件，有刚度较小，形状复杂多变的特点⋯。在航空领域，钣金零件是航空制造工程的重要组成部分，例如，由钣材组成的薄壳铆接结构是飞机的结构主体，据统计，钣金零件约占飞机零件数量的50％f2]，同时，钣金零件在飞机发动机上也大量应用，发动机外部的附件及管路支撑大部分是由钣金零件实现的。因此，航空用钣金零件最大的要求就是强度高，重量轻，这样才能满足飞机和发动机高载重量及低耗

5、油率要求，其设计的最终目标就是实现零件在外形结构、力学性能、重量及成本等方面综合平衡。对于钣金件结构设计来说，以往通常采用的结构优化方法是尺寸优化和形状优化，虽然目前尺寸优化和形状优化技术已经比较成熟，但是在结构布局已定的情况下，设计者对设计的修改程度有限，优化设计所能产生的效果也有限【3】。采用传统优化方法设计的钣金零件为了追求强度高，往往是以增加板材厚度，增加加强筋等牺牲重量的手段实现的，而为了减重目的设计的减重孔又往往极易损害强度指标。相比较传统优化方法，拓扑优化方法可以很好地解决保证强度和减轻重量之间的矛盾，实现保证

6、强度的前提下钣金件传力结构最合理，重量最轻。拓扑优化设计是一种根据约束、载荷及优化目标来寻求结构材料最佳分配的优化方法，其主要应用于零件设计的方案设计阶段，对最终产品的成本和性能有着决定性影响。在航空用钣金零件初始设计阶段就引入拓扑优化方法，会比设计过程中单纯使用结构尺寸优化和形状优化获得更大的经济效益㈣。1拓扑优化理论拓扑优化主要思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题【5】，故拓扑优化设计又称做材料分布优化设计16l。它认为结构是由非均匀的微观基结构组成。为简化优化设计问题，人们通常假设

7、微观基结构是一个中心带孔的空矩形，这个矩形带有3个设计变量，变量a和b是微孔的边长，0为微孑L的方向角。在优化的过程中，基结构根据a、b和0数值的变化，总是在空心和实体之间变化并旋转。当a=b=0时，微观基结构变成一个完全的实体，相反，当口=6=l时，微观基结构则成为一个完全的空洞。因此，当设计区域总的材料和边界条件给定后，材料被从设计区域的一部分转移到另外一部分，形成新的材料分布，这也就是拓扑优化的过程(图1)。拓扑优化通过移动材料改善结构性能，形成力的最佳传递路径，输出优化的结构设计方案。2017年第1／2期·航空制造技

8、术87研究论文图1拓扑优化示意图Fig．1Sketchmapoftopologyoptimization对于航空用钣金零件的结构设计单单使用一种优化方法是很难达到效果的，需要联合应用拓扑优化方法以及传统的结构尺寸和形状优化来实现最优解。2航空用钣金零件设计流程本文主要采用UG—Nastra