中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 王碧玲 劉本剛 許世嬌

華中科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 肖 蜜 萬(wàn)應(yīng)兵

增材制造技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造的無(wú)縫鏈接，還以其革命性的“大幅節(jié)省原材料”和“制造靈活性，得到了廣泛應(yīng)用。由于無(wú)需模具的自由近凈成形工藝技術(shù)特點(diǎn)，使其非常適合于小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多品種、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工制造[1]。因此，增材制造技術(shù)將在航空制造領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，這將提升輕量化設(shè)計(jì)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)研制中的地位和增強(qiáng)仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)效率優(yōu)化中的顯著作用，這主要基于以下幾個(gè)方面的思考：（1）傳統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)由于受限于傳統(tǒng)制造工藝的嚴(yán)格約束，優(yōu)化空間受到限制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效率低，減重目標(biāo)實(shí)現(xiàn)較困難。而基于支持全數(shù)字化、高柔性的3D打印技術(shù)，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)從根本上突破了傳統(tǒng)制造工藝的嚴(yán)格限制，顯著增大了優(yōu)化設(shè)計(jì)的自由區(qū)域，無(wú)疑明顯提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率和減重效果。（2）增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造的一體化，保證了產(chǎn)品與設(shè)計(jì)模型間高度的一致性，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研制的“所見(jiàn)即所得”，極大提高了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和虛擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，即輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果直接“驅(qū)動(dòng)”制造，大幅縮短了產(chǎn)品研制周期。（3）增材制造技術(shù)為優(yōu)化后的復(fù)雜構(gòu)件加工提供了保障。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化可導(dǎo)致拓?fù)洹⑿螤詈统叽绲娘@著變化，甚至不可預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)制造技術(shù)往往不適合甚至不能加工，如蜂窩結(jié)構(gòu)、封閉結(jié)構(gòu)等，而增材制造技術(shù)由于其逐點(diǎn)成形原理，為此提供了可行的解決途徑。（4）基于先進(jìn)制造技術(shù)的不斷應(yīng)用，四代機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)提出了更高的減重要求。

總之，隨著增材制造技術(shù)不斷應(yīng)用，制造工藝對(duì)零件設(shè)計(jì)的約束不斷弱化，極大擴(kuò)展了零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的自由空間，同時(shí)隨著對(duì)飛機(jī)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的迫切追求，使輕量化設(shè)計(jì)在飛機(jī)研制中的作用越來(lái)越顯著，而其中數(shù)值方法和虛擬仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。因此，在分析飛機(jī)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，分析仿真技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化中的應(yīng)用特點(diǎn)和技巧，對(duì)顯著提高飛機(jī)的結(jié)構(gòu)效率具有重要意義。

飛機(jī)輕量化設(shè)計(jì)及仿真

飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定了飛機(jī)的主要性能。當(dāng)前在軍事強(qiáng)國(guó)，先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)重量約占總機(jī)重量的27%～40%，直接關(guān)系到飛機(jī)的安全性和機(jī)動(dòng)性能，對(duì)全機(jī)的重量及重心位置的設(shè)計(jì)有著極其重要的影響[2]，因此結(jié)構(gòu)輕量化成為飛機(jī)研制中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，即要求在保證有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗疲勞能力的情況下，應(yīng)使其重量最輕。例如F-22為追求超聲速巡航、超常規(guī)機(jī)動(dòng)等戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)提出了更高的要求。“為減輕飛機(jī)的每一克重量而奮斗”的設(shè)計(jì)原則，更直接體現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)輕量化的執(zhí)著追求。

在不同時(shí)期，為減輕結(jié)構(gòu)重量，采用的策略和技術(shù)方案是不同的，其反映了當(dāng)時(shí)最新的設(shè)計(jì)方法、最先進(jìn)的制造技術(shù)和新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用水平。如三代機(jī)主體結(jié)構(gòu)多采用整體構(gòu)建，增加了先進(jìn)輕質(zhì)材料的用量。如表1所示，是典型三代機(jī)和F-22在材料使用和飛機(jī)性能方面的對(duì)比。數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)-22結(jié)構(gòu)重量系數(shù)大幅下降，這為顯著提升戰(zhàn)機(jī)動(dòng)能奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

目前，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的途徑主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化、材料輕量化、結(jié)構(gòu)制造輕量化[3]。其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化，即結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，是指基于剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命、動(dòng)態(tài)特性等分析，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化方法在設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)?、形狀、尺寸進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)性能要求下的結(jié)構(gòu)減重目標(biāo)。例如：使結(jié)構(gòu)具有最佳的材料分布，提高結(jié)構(gòu)效率。材料輕量化是指通過(guò)采用高強(qiáng)輕質(zhì)材料，達(dá)到減重目的。結(jié)構(gòu)制造輕量化指應(yīng)用新的成型工藝和連接技術(shù)(如激光拼焊等)實(shí)現(xiàn)輕量化，包括大型復(fù)合材料整體成形、增材制造技術(shù)等。

在國(guó)外，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從輕量化材料開(kāi)發(fā)運(yùn)用、零件輕量化設(shè)計(jì)、輕量化制造工藝到廢料回收利用的產(chǎn)業(yè)化。而在國(guó)內(nèi)，輕量化技術(shù)的研究大多是新型輕質(zhì)材料的研究，但是新型輕質(zhì)材料往往加工工藝復(fù)雜、成本高昂，很難短期內(nèi)取得顯著效果，所以新的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也一直是重點(diǎn)研究方向之一。

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)指在性能分析基礎(chǔ)上，運(yùn)用最優(yōu)化理論和方法，在滿足約束條件的區(qū)域內(nèi)搜索并確定目標(biāo)(如重量最輕、造價(jià)最小等)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，數(shù)值方法是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果收斂性、唯一性的有力保證。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元算法的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)中的最有效的手段，優(yōu)化求解過(guò)程也已完全由成熟的商業(yè)有限元仿真分析軟件來(lái)完成。該求解過(guò)程涉及力學(xué)仿真、流體仿真、熱分析、電磁仿真、虛擬樣機(jī)仿真（多體系動(dòng)力學(xué)分析）等。力學(xué)仿真可分為靜力學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方法稱為靜態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，其中動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法更加復(fù)雜，但往往可獲得同時(shí)具有良好靜、動(dòng)態(tài)特性的構(gòu)件[4]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，基于云技術(shù)和網(wǎng)格計(jì)算的多目標(biāo)優(yōu)化將成為輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及仿真技術(shù)

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)常用方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可概括為3個(gè)階段：截面尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)、形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。尺寸優(yōu)化以結(jié)構(gòu)截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，在以有限元方法作為結(jié)構(gòu)分析手段時(shí)采用常規(guī)單元的幾何變量作為參數(shù)，其最優(yōu)解的搜索過(guò)程并不改變結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型，因此其研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。形狀優(yōu)化是以改善結(jié)構(gòu)為前提，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)外邊界以達(dá)到節(jié)省材料的目的，優(yōu)化的對(duì)象主要有桿系離散結(jié)構(gòu)和體、板、殼類的連續(xù)體結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化又稱結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，是一種根據(jù)載荷、約束及優(yōu)化目標(biāo)尋求在設(shè)計(jì)空間內(nèi)最佳的結(jié)構(gòu)材料分布。包括探討結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相互聯(lián)接方式，結(jié)構(gòu)內(nèi)有無(wú)空洞以及孔洞的數(shù)量、位置等。在數(shù)值求解方面，由于描述及算法的復(fù)雜性一直是近年來(lái)國(guó)際上研究的熱點(diǎn)，先后產(chǎn)生了均勻化、變密度、變厚度等優(yōu)化模型，這些模型基本是以結(jié)構(gòu)的剛度最大(即柔順度最小) 或重量為目標(biāo)，以體積或強(qiáng)度等為約束。其中，基于變密度方法的拓?fù)鋬?yōu)化可以很好地使用在各種類型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件的場(chǎng)合，如最小柔度問(wèn)題、最小特征值問(wèn)題、最小質(zhì)量問(wèn)題等，目前已在解決結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)、減振降噪、柔順機(jī)構(gòu)等方向廣泛應(yīng)用。

表1 典型三代機(jī)與F-22戰(zhàn)機(jī)性能及結(jié)構(gòu)質(zhì)量等對(duì)比

2 常用仿真技術(shù)

2.1 有限元分析

結(jié)構(gòu)分析或優(yōu)化數(shù)學(xué)模型往往是高階非線性微分方程組，理論求解困難，可行的方法是對(duì)連續(xù)體進(jìn)行離散化后通過(guò)數(shù)值計(jì)算求其近似解，同時(shí)運(yùn)用有限逼近的思想控制運(yùn)算誤差，該方法稱為有限元分析。有限元計(jì)算借助有限元分析軟件在結(jié)構(gòu)幾何模型基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格離散化、施加載荷和邊界約束后，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)?；谟邢拊ㄟM(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先創(chuàng)建有限元分析模型，然后再對(duì)強(qiáng)度、剛性、模態(tài)、動(dòng)態(tài)特性等仿真基礎(chǔ)上，按照優(yōu)化算法在設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)迭代求解，并最終收斂于最優(yōu)解。因此，有限元分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)求解的基礎(chǔ)。

1.2 靈敏度分析

實(shí)際結(jié)構(gòu)模型比較復(fù)雜，有很多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，如何選擇最合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，即如何從眾多設(shè)計(jì)參數(shù)中選出對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)影響較大的參數(shù)成為關(guān)鍵問(wèn)題。其中，靈敏度仿真就是用來(lái)解決該問(wèn)題的。靈敏度分析的數(shù)學(xué)意義是：如果函數(shù)n階可導(dǎo)，其n階靈敏度可表示為：

在結(jié)構(gòu)分析中，F(xiàn)(x)為特性參數(shù)，xi為結(jié)構(gòu)或物理參數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)階段就考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，并將動(dòng)態(tài)性能作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)任務(wù)[4]。在動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，約束條件既包括靜態(tài)約束，如強(qiáng)度、溫度、變形等，又包括動(dòng)態(tài)約束，如固有頻率、動(dòng)響應(yīng)等；還有一些其他約束條件，如結(jié)構(gòu)質(zhì)量、參數(shù)尺寸等約束條件。結(jié)構(gòu)質(zhì)量、固有頻率，測(cè)量值、溫度等都可作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。

動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以描述為，求一組設(shè)計(jì)參數(shù)：

使

其中，Gi(X)是靜態(tài)約束函數(shù)（如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）；Qj(X)是動(dòng)態(tài)約束函數(shù)（如振動(dòng)頻率）；W是其它約束函數(shù)；xl、xh kss是第s個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值下限與上限。

動(dòng)態(tài)優(yōu)化求解器使用的算法有3種常用方法：序列二次規(guī)劃法（SQP）、罰函數(shù)法、梯度投影法（GDP）以及兩者結(jié)合使用。SQP算法只能保證最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)限制（約束條件）而不能保證每一次迭代都滿足約束條件。GDP算法能夠保證迭代過(guò)程中每一個(gè)過(guò)程都能滿足約束條件,它能夠記錄在逼近目標(biāo)過(guò)程中產(chǎn)生的一系列滿足設(shè)計(jì)約束條件的方案，但需要消耗更長(zhǎng)的時(shí)間。 因此，可以在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中搭配使用，即首先使用SQP算法，在不能獲得最佳值時(shí)，再使用GDP求解。既利用了快速性，有又證有改進(jìn)的優(yōu)化方案。

圖1 傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)流程

4 虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)測(cè)試和評(píng)估，對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低開(kāi)發(fā)成本、加快產(chǎn)品研發(fā)周期有重大意義。虛擬樣機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生著廣泛深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)流程和虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程分別如圖1和圖2所示。

虛擬樣機(jī)技術(shù)目的是能夠在新產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，就能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬性能測(cè)試。Robert R. Ryan博士對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)界定為：虛擬樣機(jī)技術(shù)是面向系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的、應(yīng)用基于仿真設(shè)計(jì)過(guò)程的技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化物理樣機(jī)（DMU）、功能虛擬樣機(jī)（FVP）和虛擬工廠仿真（VFS）3個(gè)功能。全球第一架以無(wú)圖紙方式研制的飛機(jī)-波音777客機(jī)，從設(shè)計(jì)到性能分析整個(gè)研發(fā)階段采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，大幅縮短了研發(fā)時(shí)間，還確保了最終產(chǎn)品一次性對(duì)接安裝成功。目前，國(guó)外虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)軟件商業(yè)化過(guò)程已完成，比較有影響的有ADAMS、DADS、SIMPACK。

圖2 虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)流程

仿真技術(shù)在輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

長(zhǎng)期以來(lái)，由于拓?fù)渌惴ǖ膹?fù)雜性和傳統(tǒng)機(jī)加制造工藝對(duì)結(jié)構(gòu)形狀等的嚴(yán)格限制，使其應(yīng)用有限，隨著拓?fù)渌惴ú粩嗤晟坪拖冗M(jìn)自由近凈成形制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不但形成了成熟商業(yè)拓?fù)鋬?yōu)化軟件，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)托管式的拓?fù)鋬?yōu)化，還有效解決了優(yōu)化結(jié)果因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法制造的窘境。

目前，拓?fù)鋬?yōu)化已經(jīng)在航空航天、汽車、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到諸多的應(yīng)用。例如，世界兩大頂尖飛機(jī)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)公司（空客和波音公司）在實(shí)現(xiàn)飛機(jī)輕量化目標(biāo)、降低成本方面，廣泛使用了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化雖然層次高、算法復(fù)雜，但目標(biāo)函數(shù)收益明顯。因此，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸、形狀優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用有利于明顯改善結(jié)構(gòu)性能[5-6]。

1 Optistruct軟件

Optistruct軟件是一個(gè)屢獲殊榮的有限元結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化軟件，內(nèi)含一個(gè)準(zhǔn)確快速的有限元求解器，可進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)優(yōu)化，用戶可以快速便捷的進(jìn)行優(yōu)化模型建模、參數(shù)設(shè)置、作業(yè)提交和后處理，擁有強(qiáng)大、高效的優(yōu)化能力和多種優(yōu)化方法，允許存在上百個(gè)設(shè)計(jì)變量和響應(yīng)。特別是在拓?fù)鋬?yōu)化方面， Optistruct軟件已在汽車、航空等應(yīng)用領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用和顯著效果?；贠ptistruct軟件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

2 基于Optisruct的飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

燃油管連接件使用率高，覆蓋廣，因此對(duì)其提出了較高的輕量化要求。該零件傳統(tǒng)制造方法是由鍛件和鑄件通過(guò)焊接組成。當(dāng)前，基于增材制造技術(shù)已減重約3%。按照新要求，在保證原設(shè)計(jì)性能的前提下，要求減重比不小于6%。因此借助optistruct軟件通過(guò)拓?fù)浜统叽鐑?yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)是實(shí)現(xiàn)零件減重目標(biāo)是有效途徑。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際的工況，經(jīng)精簡(jiǎn)化等效處理后，在圓管內(nèi)施加極限載荷5MPa，各個(gè)接口處采取螺栓連接并固定，以體積分?jǐn)?shù)為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)力和變形為響應(yīng)，并約束最大應(yīng)力不超過(guò)屈服強(qiáng)度極限，最大變形不超過(guò)1mm，控制體積分?jǐn)?shù)變化最大不超過(guò)30%。該零件有限元仿真分析模型如圖4所示，有限元分析結(jié)果表明原始模型的最大變形為0.157mm、最大應(yīng)力為199Mpa（與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致）最大應(yīng)力發(fā)生在上面橢圓形管和下面圓形管相貫的焊接處。在建立優(yōu)化模型過(guò)程中的關(guān)鍵處理或問(wèn)題如下：

圖4 有限元仿真分析模型

（1）工藝約束處理。優(yōu)化過(guò)程需要對(duì)制造工藝進(jìn)行約束，以得到工藝良好的結(jié)果[7]。在本模型中，結(jié)合3D打印工藝創(chuàng)新性的把制造加工過(guò)程中需要考慮到的因素融合到優(yōu)化問(wèn)題的定義中，引入最小成員尺寸的約束，施加最小成員尺寸約束可以消除優(yōu)化結(jié)果細(xì)小的傳力路徑，保證結(jié)構(gòu)最小尺度大于最小成員尺寸，從而得到比較均勻的材料分布，便于打印過(guò)程材料流動(dòng)。

（2）設(shè)計(jì)區(qū)和非設(shè)計(jì)區(qū)。在hypermesh中，定義設(shè)計(jì)區(qū)和非設(shè)計(jì)區(qū)，設(shè)計(jì)區(qū)為需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的中間區(qū)域，非設(shè)計(jì)區(qū)為旁邊有加強(qiáng)肋板區(qū)域或者不需要處理的區(qū)域[8-11]。由于非設(shè)計(jì)區(qū)不為需要優(yōu)化的區(qū)域，而用來(lái)施加載荷，需要區(qū)分[12-13]。本模型的非設(shè)計(jì)區(qū)為需要施加固定約束的區(qū)域，其余地方都是設(shè)計(jì)區(qū)。

圖5 初始分析應(yīng)力云圖

圖6 初始分析位移云圖

圖7 體積最小化密度云圖（最后迭代）

2.2 結(jié)果分析

圖5、圖6分別為初始分析位移云圖和應(yīng)力云圖，最大變形為0.157mm,最大應(yīng)力203MPa，大部分應(yīng)力低于180MPa，個(gè)別單元地方存在應(yīng)力集中問(wèn)題。

圖8 柔順度最大化密度云圖（最后迭代）

圖9 按優(yōu)化結(jié)果重構(gòu)的管件模型

圖10 重構(gòu)后的模型應(yīng)力云圖

圖11 重構(gòu)后的模型應(yīng)變?cè)茍D

圖7是優(yōu)化后的體積最小化密度云圖。除了迭代次數(shù)不同，該密度云圖走勢(shì)基本和柔順度最大化密度云圖（圖8）走勢(shì)相同，即該模型具有最小體積同時(shí)，具有最好的剛性，因此該優(yōu)化模型具有重大參考意義。

3 優(yōu)化結(jié)果重構(gòu)及蜂窩結(jié)構(gòu)

圖9是按照最小體積云圖重構(gòu)的連接件CAD模型，與原模型相比綠色部分為減厚處理的范圍，最大處減厚約1mm，左右兩端設(shè)計(jì)成輻射狀。經(jīng)測(cè)量，該模型減重達(dá)6.3%。

圖10、圖11，分別是重構(gòu)后模型的應(yīng)力云圖和位移云圖，最大應(yīng)力為194MPa，大部分應(yīng)力低于160MPa，最大位移為0.10mm。分析結(jié)果表明，輕量化設(shè)計(jì)后零件的剛度（提升36%）和強(qiáng)度（提升2.5%）相比原來(lái)提明顯。

試驗(yàn)證明，該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案相對(duì)保守。但隨著零件結(jié)構(gòu)效率的不斷提高，導(dǎo)致了連接件、管件的壁厚不斷變薄，考慮到實(shí)際的動(dòng)態(tài)工況，為了有效地避免出現(xiàn)失穩(wěn)、共振、提前疲勞失效等問(wèn)題，需同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，因此，在后續(xù)輕量化設(shè)計(jì)中采用了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并引入了蜂窩結(jié)構(gòu)。

目前，該項(xiàng)工作的深入應(yīng)用和試驗(yàn)驗(yàn)證工作還在進(jìn)行中。

結(jié)束語(yǔ)

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，航空航天器、艦船、軍用車輛等現(xiàn)代武器裝備的戰(zhàn)術(shù)技能要求越來(lái)越高，多物理場(chǎng)耦合、多學(xué)科優(yōu)化問(wèn)題也越來(lái)越突出，基于仿真技術(shù)的輕量化設(shè)計(jì)方法將對(duì)從面向功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到面向性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式的轉(zhuǎn)變提供重要的技術(shù)保障。

綜上，本文在分析金屬增材制造技術(shù)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，探討了實(shí)現(xiàn)零件輕量化設(shè)計(jì)的高效方法和仿真技術(shù)，并以某型飛機(jī)管件的拓?fù)鋬?yōu)化為例，闡述了仿真技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，對(duì)提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率具有一定的實(shí)踐意義。

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