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2019-03-11

1.概述

结构拓扑优化是近年来快速发展的一种新型结构优化设计方法,广泛用于航空、航天、汽车、船舶等各个领域。根据具体的结构设计要求建立相应的设计变量,可以在给定的约束条件(边界条件和外载荷条件)下,通过改变结构的材料布局形式,使结构的目标函数达到最优,是一种根据载荷、约束及优化目标寻求结构材料最佳分配的优化方法。其最大的优点是能在研究对象的外在形式未定的情况下,根据已知边界条件和载荷条件确定最佳承力结构,既能用于全新结构的概念设计,又能用于已有结构的改进设计,通过改进结构的拓扑形式,大大提高结构的性能,或者减轻结构的重量。其在节省成本、减重、提升结构性能等方面成果显著。

减重一直是飞行器设计关注的重点,更轻的重量意味着更高的承载能力和更紧凑的空间布局,对提升飞行器的综合性能有重要意义。本项目的分析对象是中航哈飞设计的某航空飞行器的机械控制系统,通过拓扑优化技术对整个控制系统的主要构成部件进行结构再设计,即基于提取的零件的典型工况,运行多工况迭代分析,获得更好的零件结构形式,以期达到在满足承载强度、刚度的前提下减少零件重量。

Hyperworks是目前国际上最流行的有限元分析软件之一,它拥有强大的拓扑优化分析功能,能够解决航空、航天、汽车、船舶等各个领域的优化问题。其中Inspire是面向设计工程师的一款优化软件,简单易学,它可以使设计工程师、产品设计师和建筑师快速而方便地探索和生成高效的结构基础。同时它包含简单的CAD功能,帮助用户在结构设计的第一时间就降低开发成本、时间、材料消耗和产品质量。OptiStruct是一个经过工业验证的现代化线性、非线性静力学及振动力学求解器。现已广泛应用于工业结构设计及优化设计中。软件功能更强大,基于强大的网格划分工具HyperMesh作为前处理,包含更多的约束功能,能够实现各种复杂结构的优化问题。


2.优化目标

采用Altair旗下优化分析软件Inspire或是OptiStruct,对飞行器控制系统主要构成零部件进行拓扑优化设计。通过定义设计变量、约束条件和质量最小为目标函数,进行拓扑优化分析,最终获得满足强度和刚度要求,且实现质量减轻的最新结构设计。先前已对客户提供的摇臂模型进行过测试性优化分析,并取得良好效果(具体可参考附件1)。基于此次分析经验,对整个控制系统的减重空间有了比较乐观的估计,总体上能够实现减重10%左右。

另外,减重范围仅是估计值,实际减重效果还需优化后确定,且并不是每个零件都有明显的减重效果,需根据具体模型具体分析确定。

3.分析的一般流程

对飞机控制系统共40个零部件,分别进行拓扑优化设计,获得满足强度和刚度要求,且实现减重目的的最新设计。分析流程如下所示:

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1) 确定仿真基准:由于不同软件及网格可能带来计算数值的差异,因而需对初始结构进行结构有限元分析,对结果的关键数值进行校准,确保与客户提供结果有可比性。

2) 模型准备:如有需要划分网格,为优化设计做准备。

3) 确定优化设计变量:填充结构,确定设计空间和非设计空间。

4) 分析条件设定:定义材料,确定工况、各工况载荷和约束条件;

5) 工艺条件设定:对设计空间,考虑对称、挤出、拔模方向以及是否有空洞等制造约束。

6) 优化分析设定:定义目标为质量最小,优化约束条件为应力或是变形约束。

7) 优化分析:进行拓扑优化分析,获得满足条件的拓扑结构。

8) 优化后几何重构:根据拓扑优化结果,在Inspire重或其他第三方CAD软件中,进行新几何模型重构。

9) 优化模型验证:对新模型在Inspire下或是OptiStruct下进行验证分析,与原始CAD模型进行比较,确认应力、变形是否满足要求,同时查看新模型减重情况。若满足要求,则进行下一个零件结构的优化分析,若不满足要求,则需重新修改模型,并进行再次验证,直到满足要求。

10) 整理分析报告。

4.具体实施步骤

首先根据需要,确定所使用的优化分析软件。一般情况下,优先考虑使用Inspire进行优化分析。由于Inspire操作简单,不需要划分网格,同时具有三维CAD几何功能,能够在前处理填充材料获得优化设计变量,或是在后处理获得拓扑结构后,直接在Inspire下进行几何重构以及进行新模型验证分析,能大大提高效率。但在优化过程中,若要考虑变形约束,变形量不能超过某个值,则需要在OptiStruct软件下进行优化分析,获得优化后的拓扑结构后,在第三方CAD软件中进行几何重构,并在OptiStruct进行新模型验证分析。

4.1 分析对象

本项目的具体分析对象由客户提供,分析模型主要类型如下表1所示:

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具体零部件形状可参考附件2,对于各个零部件,需提供以下条件:

1) 分析对象的三维几何模型;

2) 分析对象的主要工况条件;

3) 分析对象的静态分析结果,以及在优化过程中需要作为约束条件的量(位移约束或是应力约束等);

4) 分析对象的具体材料参数。

4.2 确定仿真基准

由于不同的分析软件以及不同的网格质量,可能会带来计算数值上的差异,因此为使和客户提供初始模型的分析结果有可比性,需根据需要对分析结构在Inspire软件下或是OptiStruct软件下进行应力和变形校准,确保在优化分析软件进行的结构分析结果和客户提供的初始模型的分析结果有可比性。

4.3 确定设计空间

对某一结构,可以在Inspire软件下或第三方CAD软件下,对模型初始结构,尽可能将能够填充材料的部分全部填充,然后确定设计空间和非设计空间。一般情况下,可以把加载和施加约束的部位作为非设计空间,其他部分作为设计空间。

4.4 模型准备

1) 在Inspire软件下进行拓扑优化,只需导入几何模型,进行填充,确定设计空间,不需要进行网格划分;

2) 在OptiStruct软件下进行拓扑优化,需在第三方CAD软件中填充几何模型,然后将模型在HyperMesh中进行网格划分。

4.5 拓扑优化

4.4.1 Inspire拓扑优化

1) 材料定义:创建模型材料,并直接赋予整个分析模型;

2) 工况确定:根据要求直接创建工况;

3) 载荷加载:根据不同工况要求,在几何上创建载荷条件;

4) 约束边界:根据不同工况要求,在几何上创建约束边界;

5) 优化设定:定义工艺约束条件(如挤出、对称、拔模方向等),指定质量最小为优化目标,指定应力安全因子,并指定优化最小单元尺寸;

6) 进行单工况或是多工况的拓扑优化分析;

7) 查看拓扑优化分析结果。

4.4.2 OptiStruct拓扑优化

1) 材料定义:在HyperMesh中定义材料,创建属性,将属性赋予整个分析模型;

2) 工况确定:在HyperMesh中根据要求创建loadstep;

3) 载荷加载:在HyperMesh中根据不同工况要求,在不同loadstep中创建载荷条件;

4) 约束边界:在HyperMesh中根据不同工况要求,在不同loadstep中创建约束边界;

5) 优化设定:在HyperMesh中,优化模块,创建设计变量,并定义工艺约束条件(如挤出、对称、拔模方向等),指定质量最小为优化目标,指定应力或是变形约束条件;

6) 在OptiStruct中进行单工况或是多工况的拓扑优化求解;

7) 在HyperView中查看拓扑优化分析结果。

4.6 几何重构和验证

1) 若在Inspire中进行拓扑优化分析,且优化后结构比较规整,可直接在Inspire下,通过推拉、布尔操作等功能进行几何重构;若优化后结构较为复杂,则需在第三方CAD软件中进行几何重构。几何重构完成后,重新设定分析条件,在Inspire下进行验证,查看是否满足强度、刚度要求,以及模型减重百分比。

2) 若在OptiStruct中进行拓扑优化分析,则可通过OSSmooth功能,将优化后的拓扑结构导出,在第三方CAD软件中进行几何修型或是重构;几何重构完成后,重新划分网格,设定分析条件,在OptiStruct中进行验证,查看是否满足强度、刚度要求,以及模型减重百分比。

3) 若满足强度、刚度要求,且实现减重目标,则进行下一个零件结构的优化分析,若不满足要求,则需重新修改模型,并进行再次验证,直到满足要求。

5.分析成果提交

1) 优化后满足要求的三维几何模型,以stp等通用格式提供;

2) 分析报告。