基于HyperworksInspire的结构拓扑优化设计.docx

基于HyperworksInspire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HyperworksInspire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】HyperworksInspire；前起落架；结构优化TopologicalOptimizationofStructureBasedonHyperworksInspireGAOPengWUZhi-qiang（R&DDevelopmentCenter，AVICAircraftCorporation，LTD.，XianShaanxi710089，China）【Abstract】The3DcontourmodelofupperstrutofnoselandinggeariscreatedinCATIA，transferredintotheHyperworksInspiresoftware，acrossthenicerdesignconceptandthegoodvisualeffect，takeintoaccounttheelementsofmodelstressandsupport，obtainthebestforcesupportingstructureintheconceptiondesignstep，Indetaileddesigncansavealotlabor，shortenthedevelopmentcycle，reducetheCostofproduction。【Keywords】HyperworksInspire；Noselandinggear；StructuralOptimization0引言HyperworksInspire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