基于Hyperworks Inspire的结构拓扑优化设计

高朋　吴志强

【摘 要】使用CATIA软件建立前起落架上撑杆三维轮廓模型导入拓扑优化设计软件Hyperworks Inspire中，通过该软件良好的设计概念视觉化效果，根据结构受力、支撑等因素，即可在概念设计阶段获得材料最省的最佳承力结构，为详细设计节省了大量的劳动力，缩短开发周期，降低生产成本。

【关键词】Hyperworks Inspire；前起落架；结构优化

Topological Optimization of Structure Based on Hyperworks Inspire

GAO Peng WU Zhi-qiang

（R&D Development Center， AVIC Aircraft Corporation， LTD.， Xian Shaanxi 710089， China）

【Abstract】The 3D contour model of upper strut of nose landing gear is created in CATIA，transferred into the Hyperworks Inspire software，across the nicer design concept and the good visual effect，take into account the elements of model stress and support，obtain the best force supporting structure in the conception design step，In detailed design can save a lot labor，shorten the development cycle，reduce the Cost of production。

【Key words】Hyperworks Inspire； Nose landing gear； Structural Optimization

0 引言

Hyperworks Inspire是将OptiStruct解算器以及一些前处理的功能进行了打包分装，大量的前处理工作隐式化，利用“拓扑优化”的技术，根据结构件的受力，支撑等因素，利用优化技术获得材料最省的最佳承力结构，在此基础上进行详细设计，使材料在零件的布置更加合理，克服了以往靠经验设计，仅考虑零件的功能性需求，忽视其可靠性的缺陷。其拥有良好的设计概念视觉化效果，是非常适合概念设计阶段提升结构性能并辅助减重的一个优化软件。相对传统的结构优化设计流程即“设计——论证——再设计”的模式[1-5]，缩短开发周期，改善结构性能、提高工作效率、实现了结构减重、生产成本的降低。

1 受载情况及受力分析

1.1 受载情况

前起落架主要承受三个载荷：地面垂直载荷、侧向载荷和地面航向载荷。地面航向载荷通过轮轴上传给活塞杆和外筒，并通过外筒与前撑杆连接耳片上传给下撑杆，下撑杆相当于一个二力杆，与上撑杆连接，并通过上撑杆与机身连接转轴将载荷上传给机身。

前撑杆在地面载荷作用下主要承受拉压载荷。前撑杆主要包括上撑杆、下撑杆和锁撑杆。锁撑杆在地面载荷作用下不受力，在收起起落架锁定后受力。本次结构优化以上撑杆承载受拉载荷工况为研究对象。

1.2 受力分析

上撑杆和下撑杆连接耳片为双耳，耳片主要承受下撑杆传递的拉压载荷。根据前撑杆的结构特点，在各工况下承受最大拉伸Pls=160193.2N，受拉角度53.5度；承受最大压缩载荷Pys=172974.7N，受压角度126.5度。耳片沿轴向拉伸，受载角度为0度。耳孔拉伸设计工况下，单个耳片上的载荷Pα= Pls/2=80096.6N。

上撑杆所选取的材料是：7050，取其弹性模量E=71000GPa；泊松比μ=0.33；密度ρ=2820g/mm3。

2 模型的建立

根据上撑杆在地面载荷作用下主要承受拉压载荷，结合本次模拟的工况，上端可简化为固定约束，沿耳片方向受拉伸载荷，使用CATIA软件设计上撑杆简化模型如图1所示。

3 拓扑优化设计及其结果

定义模型，根据模型特点、受力要求，对模型进行约束定义，如图2所示。

3.1 约束与加载

1）施加约束：上端进行自由度约束、下端施加拉伸力载荷；

2）添加形状控制：包括拔模方向和零件对称性的设置；

3）定义设计空间：定义运行优化时的零件的部位，被定义为设计空间的零件都将会生成一个新形状。

3.2 优化方案

本次优化主要以最大刚度为目的，实现最小质量目标。对于质量目标，（ⅰ）. %的全部设计空间体积：表明生成的形状占设计空间总材料的 %；（ⅱ）.最小厚度：在厚度约束中控制最小厚度。共进行四组优化。如表1所示：

表1 优化方案

3.3 优化结果分析因素

1）安全因子：接近最小安全因子的区域显示为红色，表示该部件最有可能失效。如果模型整体显示为蓝色，则表示该部件在此种载荷工况下没有失效的危险。安全系数大于最小安全因子，预计该模型在此种载荷工况下不会失效，如图3；

2）拉伸与压缩：模型中显示为橙色的区域受到张力影响，绿色区域则受压缩力影响，如图4；

3）位移：确定最大位移；

4）米塞斯等效应力：确认不存在红色的隐藏区域。

3.4 拓扑优化结果

第一组：30%-15mm

位移：最大位移0.125mm；

安全因子：在该参数下模型不会失效，见该体积和厚度非常充裕。

第二组：30%-10mm

位移：最大位移0.116mm；

安全因子：该优化结果可见两耳片之间连接部分有少许增加。在该参数下模型不会失效。

第三组：20%-10mm

位移：最大位移0.159mm；

安全因子：该优化结果可见两耳片之间连接部分明显增多。在该参数下模型局部略微存在失效的可能性。

第四组：15%-9mm

位移：最大位移0.22mm；

安全因子：该优化结果明显可见两耳片之间连接有少许加强。在该参数下模型极易失效，非常危险。

四组优化结果的米塞斯等效应力：经确认均不存在红色的隐藏区域。

4 结论

对四组优化结果以及其他性能的分析，得出如下结论：

Ⅰ.当体积一定，厚度变小时，为了保证零件的稳定性，两耳片之间的连接部分会有所增加，进而导致位移反而变短；

Ⅱ.当厚度一定，体积变小时，位移量会有所增加，同时耳片之间的连接部分也会明显加强，以保证零件的稳定性；

Ⅲ.当体积变为15%，最小厚度变为9mm时，零件已经严重失稳；对体积15%-厚度8mm进行结构优化则无法进行，要求增加厚度；故推测零件最小厚度必须>9mm；

Ⅳ.从优化结果可以看出局部受力较大，最容易出现失稳的部位均在零件转折部位，均需要加强，这大概也是该零件设计时外围都加强的原因；

Ⅴ.本次优化仅选用了拉伸工况，最终还得综合其他工况来确定验证该零件的设计思路和方案。

【参考文献】

[1]许素强.夏人伟.结构优化方法研究综述[J].航空学报，1995，16（4）：385-396.

[2]张向宇，等.基于ANSYS的加工中心滑座拓扑优化设计[J].设计与研究，2008（6）：68-74.

[3]陈建军，等.结构动力优化设计述评与展望[J].力学进展，2001，31（2）：181-192.

[4]高微，等.机械手臂结构优化设计[J].机械设计与制造，2006（1）：13-15.

[5]隋允康，等.多工况应力和位移约束下连续体结构拓扑优化[J].力学学报，2000，32（2）：171-179.

[责任编辑：杨玉洁]