朱勝利、郭 超、寇延清 第一飛機設計研究院 西安 710089

摘 要： 本文基于Altair公司的優化軟件OptiStruct和solidThinking Inspire，對飛機結構拓撲優化做了對比，結果表明拓撲優化是減輕飛機結構重量、縮短研制周期的有效工具。Altair 公司的拓撲優化和增材制造結合，能有效實現大型整體結構的設計輕量化、制造高效化。

1 概述  

飛機設計水平的高低在一定程度上，是反映一個國家科研實力、創新能力的一個重要指標，而飛機結構輕量化設計是實現這一重要指標的一個前提基礎。在飛機研制過程中，減輕飛機的結構重量對于提高飛機性能有著重要意義。據統計，在保證飛機性能的前提下，結構重量減輕 1%，可以減輕飛機總重 3%。由于重量的減輕，帶來載荷的下降，減輕了飛機的負擔。因此減輕重量是飛機設計師的重要使命，也是型號成敗的關鍵。優化設計無疑是結構設計輕量化的一種重要手段，當然拓撲優化就是其中一員。區別于傳統的經驗式設計模式， 拓撲優化在設計初期就能給出滿足性能要求的最優拓撲模型，而且具有輕量化的特點，是一 種新型的設計方法。

2 整體結構拓撲優化設計應用  

從整個飛機研制過程來看，主要包括概念設計階段、方案設計階段、打樣設計階段、詳細設計階段、試制階段、試飛階段、批生產階段，其中方案設計階段占研制周期比例最大，而且最為關鍵，決定著飛機的總體布置形式，相當于是決定飛機的“基因”鏈。此前，方案設計階段設計主要采用召開大量協調會，依靠每位參會專家的經驗知識來保證方案的合理性 和準確性，時間周期相對較長。且因與會專家的不同會產生方案分歧，導致前期方案顛覆。另外，由于協調問題考慮不全面、不系統、不完整，會使方案迭代時常會回到原點，帶來設 計階段的跨度迭代較大，浪費大量時間和成本。因此，也迫切需要通過優化設計手段使方案階段也進行海量優化，使各階段內的優化盡量發揮最大作用，而不是個別方案的人為認知篩選，減少大跨度設計迭代，同時盡可能降低設計反復的概率，拓撲優化是方案設計階段進行傳力材料布置優化設計的妙計良方。

為了提高結構效率，減輕結構重量，提升武器裝備的性能，拓撲優化技術已在飛機結構設計中大型整體承力構件和結構功能一體化構件中得到越來越廣泛應用。比如滑輪架設計、翼身對接接頭設計，以及發動機安裝支架設計，采用拓撲優化技術和增材制造技術可以實現 30%左右的材料、60%左右的制造周期完成生產，成為保障飛機研制進度和性能的重要技術支撐。

                                                    圖 1 滑輪架拓撲優化設計

                                                    圖 2 翼身對接接頭拓撲優化設計

                                          圖 3 發動機安裝支架拓撲優化設計

從眾多拓撲優化后的方案構型來看，經過拓撲優化后的設計方案對傳統的制造方式提出新的挑戰。因為傳統的制造方法對產品模型具有對稱性、相對固定尺寸、可重復制造等要求。而拓撲優化技術只有在不考慮制造工藝約束時才具有更好的效果。因此，盡管工程師們通過拓撲優化方法設計出了結構獨特、高性能的產品模型，但往往因為可制造性問題，只能遵循 “實現性優先”的原則，而舍棄掉產品在輕量化、高性能上的優勢。隨著輕量化、大型化、 整體化的設計理念的發展，低成本、大型結構件的制造技術逐漸成為影響我國裝備能力提升的一項瓶頸技術。然而，增材制造技術的出現很好地解決了這一大難題，其與傳統的制造方法相比，具有可控性，由小到大從點到線到面再到體積，可先局部后整體；空間可無約束等特點，可實現高性能金屬材料制備與大型零件“近凈成形”一步完成。增材制造的零件具有細小、均勻的快速凝固組織，綜合力學性能優異，可實現復雜的結構功能一體化設計的零件制造。零件材料利用率高（可比鍛件提高 5 倍以上）、機械加工余量小、數控加工時間短（可 減少 80%以上）。制造周期短（可縮短 1/3 以上）、成本低（可降低 1/4 以上）。柔性高并具 有對產品及結構設計變化的“快速響應”能力。而且通過對優化后的增材制造加工模型采取 數字加工過程仿真，分析其殘余應力和變形，并可將此變形通過一定算法反向疊加到原始模 型上進行生產模型的修正。

                                                                圖 4 增材制造工藝分析以及模型反算修正

拓撲優化技術與增材制造技術的聯合，可實現大型整體高強、高韌鈦合金激光成形承力結構件和結構功能一體化構件的裝機應用，可解決大型整體鈦合金構件減重量、縮周期，降成本等難題。下圖 5 就是應用 solidThinking Inspire 軟件針對接頭零件開展的基于傳統減材制造的設計和基于拓撲優化的增材制造的設計研究，經過分析比較，綜合性能都滿足要求的前提下，至少節約重量 40%。

                                    圖 5 接頭零件傳統減材制造和增材制造設計對比

目前，我們已開展了金屬、復材結構的大量拓撲優化設計，在型號中得到很好應用，給型號結構方案設計提供了非常大的幫助，而且為型號減重，解決型號重量瓶頸難題立下汗馬功勞。同時，我們開展了型號部件級結構的拓撲優化設計，在后機身設計中就應用了拓撲優化設計，減重效果非常明顯，清晰的描繪出了后體結構的布置方案，優化后的結構承載效能有很好的提高。我們目前正在進一步擴大研究范圍和規模，正在探索整個機身部件、整個機翼結構等整機級的拓撲優化設計，為挑選一型型號終極優化結果開展相關研究。因此，拓撲 優化設計技術研究成果將在未來先進戰斗機、大型民用客機、支線飛機、直升機以及各類高推重比航空發動機等重大武器裝備研制生產中具有重大應用價值和廣闊應用前景。

                            圖 6 拓撲優化技術在飛機機身結構設計中的探索應用

4 結束語

將結構拓撲優化方法應用于飛機結構布局方案設計過程中，可以獲得最佳的結構形式和材料分布，使結構傳力更加直接和高效，且有效減輕飛機結構重量，提高飛機性能。相對于傳統的設計方法，全新的設計理念幫助設計師們以更快的速度確定性能更高、重量更輕、結構更可靠的布局形式，可為初期階段設計的產品提供清晰的設計思路，減少設計反復。同時，隨著加工制造手段的不斷更新，現代飛機結構上已逐步開始使用先進成型工藝技術如激光電子束成型和激光粉末堆積成型等方法，也為拓撲優化設計的產品打開新型制造的窗口，使得飛機整體結構件的設計更為輕巧合理，重量顯著降低，研制的周期大為縮短。

5 參考文獻

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[2]李楚琳,張勝蘭,等.HyperWorks分析應用實例[M].機械工業出版社,2008. 

[3]鄧揚晨,張衛紅,朱繼宏,等.飛機翼面結構概念設計方法研究[J].航空學報,2003. 

[4]劉志強,王明強.基于SIMP拓撲優化理論的結構概念設計研究[J].江蘇科技大學學報 2006. 

[5] 李金國,等.基于HyperMesh的有限元前置優化設計[J].制造業信息化, 2005.

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