耳片接头结构的参数化设计与优化

李开开

关键词 耳片接头结构 参数化设计 结构优化

1引言

在现代飞机设计中，耳片接头是一种常用的飞机结构，其通常用来传递集中载荷。一般来说，有集中载荷传递的地方必须设置接头。传统的耳片接头设计方法需要设计人员根据接头的受载情况和使用条件确定耳片接头的基本尺寸，然后再进行强度校核，若强度不够，则需要调整设计参数，再次进行强度校核。在此期间，反复进行迭代设计和强度校核，直至满足强度要求。

传统耳片接头设计不仅耗时耗力，还需要设计人员具有丰富的设计经验。而且，为保证耳片接头的安全性和可靠性，在设计耳片时，往往要留出较大的裕度，造成材料浪费。因此，需要找到一种兼顾安全性、可靠性并且能够提高设计效率的耳片接头设计方法。

刘木军[1] 基于Catia 二次开发，根据经验公式对耳片进行参数化设计，能够快速对耳片进行三维建模。彭世冲[2] 基于HyperWorks 对飞机耳片结构多种工况进行了拓扑优化分析，明显减轻了耳片的重量。马大卫[3] 通过多项式拟合7075 铝合金耳片材料性能参数与耳片结构参数之间的关系，通过Matlab 开发可视化程序，实现了耳片的自动化设计。

以上研究基于对称耳片，能够简化耳片设计流程。但是，基于经验公式的设计仍然存在较大的裕度。基于拓扑优化虽能大幅减轻耳片的重量，但是没有进行疲劳寿命分析。本文结合常用的有限元仿真和疲劳寿命分析软件，对复杂和重复的设计流程进行整理，通过参数优化使耳片接头结构更安全、质量更小。

2参数化设计

Catia 是一款功能强、开放性强的工业软件，具有强大的曲面造型能力，是大型企业的首选软件[4] 。针对不同的用户需求，Catia 提供了不同的二次开发方式。根据内部API 丰富程度不同，可分为批处理脚本、宏命令和CAA 组件开发方式。批处理脚本开发方式只能进行命令的批量执行，不能与用户交互;宏命令方式在批处理脚本的基础上增加了与用户交互的接口，其接口较丰富;CAA 组件开发方式的功能最强大，但是因其复杂性较高，对开发者而言使用難度较大。因此，使用宏命令开发方式是大多数工程设计人员的首选，本文亦采用该方式进行耳片接头的参数化建模。

耳片接头一般由支座和耳片构成，常用的耳片接头有直耳片和斜耳片。目前，直耳和对称斜耳片的研究资料较为丰富。由于通过改变耳片倾角可以将非对称斜耳片转变为直耳片和对称斜耳片。因此，本文将研究对象设定为非对称斜耳片。如图1 所示，非对称斜耳片接头可由耳片内孔径d，耳片外径D、耳片倾角α、β，耳片到端部距离g，耳片厚度t 确定。

虽然耳片接头可由上述6 个参数确定，但在实际设计中，受限于结构空间和装配约束，并非全部设计参数可参与优化。本文以耳片外径D、耳片倾角α、β，耳片厚度t 作为可设计变量，通过宏脚本更新参数和模型，并导出文件供Abaqus 软件使用，如图2 所示。

3结构优化设计

3.1优化流程

如图3 所示，在结构优化开始之前，首先要确定优化变量。Isight 根据设置生成若干组待优化参数，每一次循环通过CATIA 接口调用Catia 进行参数化建模并导出模型文件。调用Abaqus 接口将Catia 生成的模型导入Abaqus 进行有限元分析，并提取最大Mises 应力作为约束条件，提取模型质量作为优化目标。调用Fe?safe 接口，将Abaqus 计算的结果文件作为输入，进行疲劳分析，并在Fe?Safe 的分析结果文件中提取疲劳寿命作为第二个约束条件。提取优化参数和约束条件后，Isight 可根据不同的算法进行结构参数优化。

3.2静力分析

本例中耳片和螺栓材料均为30CrMnSiA。由于不关注螺栓的应力情况，可将连接螺栓设置为刚体。30CrMnSiA 的弹性模量E = 210000MPa，泊松比μ =0.3。以耳片接头荷载Px =10000N，Py =-5000N 为例进行有限元计算。为便于自动划分网格，简化模型，清除园角，底座由耳片根部固定端约束代替。如图4所示，耳片根部设置为固定端约束，螺栓设置为刚体，荷载施加在螺栓参考点上，约束Z 向位移和X 轴、Y轴、Z 轴转动自由度，在X 轴、Y 轴方向施加集中力。耳片接头使用实体单元C3D8R 划分网格，连接螺栓使用刚体单元R3D4 划分网格。

3.3疲劳分析

目前，主要的金属疲劳分析方法有应力疲劳分析和应变疲劳分析。采用应力疲劳分析方法时需要了解材料的疲劳寿命曲线。由于耳片与螺栓的相对运动，耳片会不断被螺栓擦蚀，因此选择考虑擦蚀影响的30CrMnSiA 疲劳寿命曲线。

在本文中，疲劳分析软件采用Fe?safe，Fe?safe 软件与Abaqus 软件集成于达索有限元分析组件，其与Abaqus 软件结合紧密，方便使用。使用Fe?safe 软件进行疲劳寿命分析时，需要先使用Abaqus 软件对分析目标进行静力分析，得到包含应力应变信息的静力结果文件，导入Fe?safe 软件分析疲劳寿命。导入30CrMnSiA 的全寿命疲劳曲线，输入材料抗拉强度（UTS）σb = 1080MPa，弹性模量E = 210000MPa，屈服强度σ0.2 = 835MPa。耳片在使用时存在加载和卸载情况，因此采用如图所5 示的三角形横幅载荷循环。

3.4Isight 参数优化

Isight 主要由软件调用接口组件和Optimazation组件组成。软件调用接口组件在优化设计中起到胶水的作用，其内置的软件调用接口可根据用户需求结合其他软件搭建优化流程。对于尚未内置接口或者接口不能满足优化需要的软件， Isight 可以通过Simcode 通用集成接口组件进行软件调用，以便搭建优化流程。Optimazation 组件是Isight 中另一重要组件，用于选择优化算法、设置优化条件和目标，是结构优化流程的控制台。

图6 所示为本文搭建的优化框架，使用应用程序调用接口组件集成Catia，Abaqus，Fe?safe 软件。其中，Catia 为参数化设计模块，通过Catia 自带的宏命令来修改三维数模并导出模型文件。Abaqus 通过abaqus.py 文件导入Catia 模型文件，进行有限元计算并输出模型质量和最大Mises 应力。Fe?safe 通过导入Abaqus 的静力结果文件进行疲劳分析，输出疲劳寿命作为优化约束条件。Optimazation 组件根据计算结果优化算法，控制程序循环运行。

Isight 内置了许多优化算法，其中，自适应模拟退火算法（ASA）不仅能区分局部最优解，还是时间复杂度较低的一种算法。因此，本文选用自适应模拟退火算法（ASA）作为优化算法。在Optimazation1 组件中设置优化变量耳片外径D 和耳片倾角α、β，耳片厚度T 优化范围，设置最大Mises 应力和疲劳寿命为优化约束，优化目标设置为结构重量最小。优化变量变化范围如表1 所列。最大Mises 应力上限设置为30CrMnSiA 的抗拉强度的80%，留出20%的安全裕度，疲劳次数设置为30000 次。

3.5优化结果

经过优化分析后，可以得到最终优化变量结果如表2 所示。优化前，耳片的最大Mises 应力为544.74，疲劳寿命为89 554 cycles;优化后，耳片的最大Mises应力为624.17 MPa，疲劳寿命为53 170 cycles，满足约束条件。优化前，模型质量为31 g;优化后，模型质量为21.05 g。在最大Mises 应力提高12.7%的基础上，实现结构重量减少32.1%。

4结语