拓扑优化在发动机吊挂结构设计中的应用.pdf

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1、拓扑优化在发动机吊挂结构设计中的应用★口杨军刚口章胜冬口张卫红西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室西安710072摘要：研究了拓扑优化技术及其在航空发动机吊挂结构设计中的应用。建立了拓扑优化问题的数学模型，进行了灵敏度分析，采用CONLIN算法进行优化迭代求解，并介绍了消除数值不稳定现象棋盘格的方法。建立了基于通用有限元分析软件ANSYS和CONLIN优化算法的优化设计平台，采用FORTRAN语言编写了相应的有限元二进制数据读取、灵敏度求解、灵敏度过滤和流程控制等算法。将本方法用于发动机吊挂的结构设计中并得到合理的结果，证实了其有效性。关键词：拓扑优化轻量化设计优化求解策略设

2、计流程发动机吊挂中图分类号：V214．19文献标识码：A文章编号：1000—4998(2009)07—0021—04Abstract：Applicationoftopologyoptimizationinthestructuredesignofaero—enginepylonisstudied．Amathematicmodeloftopologyproblemisbuilt，sensitivityanalyzedandConvexLinearizationmethod(CONLIN)usedforoptimizationsolution．Anopti—mizationdesignplatf

3、ormbasedonFEAsoftwareANSYSandCONLINisestablished．ThealgorithmsincludingFEAdatareading，sensitivitycalculation，sensitivityfiltrationandflowcontrolareworkedoutwiththeaidofFORTRAN．Thesemethodsareusedinthestructuredesignofaero—enginepylonandareasonableresultobtained，thusprovingtheirvalidity．KeyWords：To

4、pologyOptimizationLightweightDesignOptimizationSolutionDesignFlowAero-enginePylon拓扑优化技术是一项新兴的设计方法。本着材料洞(／2,。)和实体区域(。。)组成。在位移边界ru上定“物尽其用”的思想，在方案设计阶段寻求零部件甚至义固定边界条件，载荷边界上作用有载荷F。拓扑整个结构原型合理的材料布局和最佳传力路径，以减优化是在给定材料用量下，在设计域内寻找最佳的轻结构重量，是结构概念设计阶段确定结构布局形式材料分布以使结构的性能(通常为结构的整体刚度)达的最有效方法。2003年拓扑优化技术在空客A380机翼到最优

5、。前缘翼肋减重设计中取得重大成功，为飞机结构设计求解策略一般是结合有限元数值方法，将结构设树立了一个的新的里程碑。目前拓扑优化技术已广泛计域离散为若干个有限单元，用伪密度值来描述每地应用于飞机中关键结构件的设计中。个单元材料的有无，若单元上有材料则伪密度值等于发动机吊挂是飞机上用来在外部吊装发动机短舱1，反之则伪密度值等于0。为了描述伪密度和单元材料的装置，它是连接发动机和飞机机身的重要部件，中间的关系，采用SIMP插值模型，并通过惩罚来得到清晰有很多线路油管穿过，装配精度要求极高。如图1中虚的0—1材料分布。SIMP插值模型中材料的伪密度与杨线部分和图2所示，它是飞机最重要的零部件之一。

6、发动机吊挂是飞机的主要承力部件，是全机的高温影响区和集中受力区。因此在满足结构强度要求前提下，发动机吊挂架构的轻量化设计对提高飞机整体性能有着重要意义。传统的吊挂设计多采用梁框式结构，如图2中所示。然而这种设计往往过于保守，难以最大化地发挥结构的材料使用效率。本文采用扑优化技术对发动机进行结构优化设计。1拓扑优化设计问题描述如图3所示的连续体结构，结构的设计域由孔★国家自然科学基金资助项目(编号：50775184)教育部博士点基金资助项目(编号：20060699006)陕西省科技计划项目(编号：2006K05一G25)收稿日期：2008年12月机械制造47卷第539期2009／7圆氏模量的

7、关系可以表达为：c()=()=∑UTK,U~=∑(4)E=Eo(1)式中：为单元i的伪密度值；表示实体材料的杨氏对于常见的集中载荷有a／a0，则可得单元模量；E；为单元i惩罚后的杨氏模量；P表示惩罚因伪密度关于目标函数和体积约束的灵敏度分别为：子。：U+：2一UOx．ioxLoxox131~i由于拓扑优化旨在进行结构整体材料布局，因此：一P一’：一-P--I／TK,U,：一卫(5)_一般以整体刚度作为设计目标。给定体积约