行業(yè)：航空航天 

    挑戰(zhàn)：載結(jié)合 3D 打印工藝如何實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)并保證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的 工藝性及美觀性。

    Altair 解決方案：運(yùn)用 Altair Inspire 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到輕量化的設(shè)計(jì)結(jié)果；再運(yùn)用 Altair Evolve 進(jìn)行建模和渲染，得到可以直接 3D 打印制造的設(shè)計(jì)模型。

    優(yōu)點(diǎn)：提升設(shè)計(jì)效率，節(jié)約大量時(shí)間； 外形創(chuàng)新最大程度利用了 3D 打印的制造優(yōu)勢(shì)；輕量化設(shè)計(jì)，有助于降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用成本。

    背景介紹 

    隨著中國(guó)大飛機(jī)工業(yè)的進(jìn)步和 3D 打印技術(shù)的逐漸成熟，中國(guó)商飛舉辦了一系列結(jié)構(gòu)部件的3D打印化設(shè)計(jì)優(yōu)化競(jìng)賽與預(yù)研活動(dòng)。 本次進(jìn)行輕質(zhì)化設(shè)計(jì)的是飛機(jī)機(jī)翼的擾流板，該零件是飛機(jī)機(jī)翼（包括噴氣式飛機(jī)和滑翔機(jī)）上常用的一種減速裝置。為了實(shí)現(xiàn)減重，與研究 3D 打印在機(jī)翼結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性的目標(biāo)，本例做了創(chuàng)新的嘗試并獲得了第一屆中國(guó)商飛 3D 打印結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大賽的二等獎(jiǎng)。 通過(guò)應(yīng)用 Altair 公司的 Altair Inspire 對(duì)機(jī)翼擾流板進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)思路由原來(lái)的“先設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)再校核產(chǎn)品性能”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋却_定產(chǎn)品性能，再通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化手段得出產(chǎn)品最終結(jié)構(gòu)”，為該擾流板的結(jié)構(gòu)方案選型提 供了依據(jù)。

    挑戰(zhàn) 

    首先，飛機(jī)設(shè)計(jì)中為降低后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，就要求結(jié)構(gòu)重量盡量輕以增加飛機(jī)整體的燃油經(jīng)濟(jì)性，但部件的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度仍需達(dá)到響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。 

    其次，在設(shè)計(jì)中需要考慮與現(xiàn)有接口的匹配，并要使用3D打印的加工方 式。這一設(shè)計(jì)要求與現(xiàn)有的基于鈑金和機(jī)加工的設(shè)計(jì)方案有很大的不同，也就意味著憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)的可行性幾乎沒(méi)有。 

    如何實(shí)現(xiàn)機(jī)翼擾流板減重的同時(shí)，仍滿足其機(jī)械接口、安裝約束、剛度、 強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)，甚至兼顧來(lái)自拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的工藝性及美觀性？這些都是擺在設(shè)計(jì)工程師們面前的種種挑戰(zhàn)。

---

    “機(jī)翼擾流板通過(guò) Altair Inspire 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化及強(qiáng)度仿真，設(shè)計(jì)符合擾流板的剛、強(qiáng)度要求，并實(shí)現(xiàn)減重 57.71%。”

                                                                                                                               裘旭東 

                                                                                                                              系統(tǒng)工程師 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究部 

                                                                                                                             中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院

---

    解決方案

    運(yùn)用 Altair Inspire 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì) 

    眾所周知，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題，轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問(wèn)題，其目的是尋找承受單載荷或多載荷的物體最佳材料分配方案。市面上也有眾多成熟的商業(yè)軟件可供設(shè)計(jì)師 們選擇，Altair Inspire 因采用了 Altair 先進(jìn)的 OptiStruct 優(yōu)化求解器，同時(shí)界面友好易用，而備受設(shè)計(jì)工程師的青睞。 

    本次擾流板設(shè)計(jì)也選擇了采用 Altair Inspire 這一設(shè)計(jì)工具。 擾流板輕質(zhì)化設(shè)計(jì)采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法。設(shè)置擾流板板面為鋁合金、擾流板接頭處為鈦合金。設(shè)置擾流板蒙皮上側(cè)施加 20000Pa 的均布載荷，施加面如圖 1 中綠色部分所示，方向垂直于表面向下。對(duì)圖 2 所示的 1 接頭設(shè)置約束 X、Y 方向位移，2 接頭設(shè)置約束 X、Y、Z 方向位移，3 接頭設(shè)置約束 X、Z 方向位移，4 接頭設(shè)置約束 X、Z 方向位 移，5 接頭設(shè)置約束 X、Z 方向位移，6 接頭設(shè)置約束 X 方向位移，各接頭位置如圖 2 所示。設(shè)置擾流板蒙皮上側(cè)、 蒙皮下測(cè)以及接頭處為不可優(yōu)化部位。

                                                      圖 1 擾流板施加載荷面

                                                      圖 2 擾流板接頭位置

    對(duì)設(shè)置完初始參數(shù)的擾流板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，計(jì)算出對(duì)于結(jié)構(gòu)的受力情況的影響最小的部分，去除相應(yīng)部分，得到數(shù)個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化方案并進(jìn)行優(yōu)選，如圖 3 所示。

                               圖 3 多個(gè)擾流板拓?fù)鋬?yōu)化方案進(jìn)行比較與優(yōu)選 

    在確認(rèn)擾流板的機(jī)械接口、力學(xué)性能、最小打印尺寸等要素后，優(yōu)選出了比較合適的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，利用 Altair Evolve 進(jìn)行模型的建模和渲染。

                                                      圖 4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)外觀

    擾流板在優(yōu)化前，質(zhì)量為 38.7kg，其測(cè)量慣量如圖 5 所示。經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后，擾流板的質(zhì)量為 22.334Kg，拓?fù)鋬?yōu)化后擾流板測(cè)量慣量如下圖 6 所示。共減重 16.366kg，符合輕量化設(shè)計(jì)的要求。

                                                      圖 5 拓?fù)鋬?yōu)化前擾流板測(cè)量慣量 

                                                      圖 6 拓?fù)鋬?yōu)化后擾流板測(cè)量慣量

    擾流板通過(guò) Altair Inspire 進(jìn)行強(qiáng)度仿真。按照之前的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置擾流板板面為鋁合金材料，接頭處為鈦合金材料。 對(duì)擾流板上蒙皮設(shè)置 20000Pa均布載荷，對(duì)接頭各個(gè)部位設(shè)置約束。進(jìn)行計(jì)算后得到，擾流板的最大變形量為 9.046mm， 最小變形量為5.122 × 10?7mm，且最大變形區(qū)域主要分布在擾流板板面的周邊，最大變形處位于擾流板面角落處，對(duì) 接頭處影響較小，符合擾流板的剛度要求。

                                                      圖 7 拓?fù)鋬?yōu)化后的擾流板的形變分析

    經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到擾流板進(jìn)行米塞斯等效應(yīng)力分析，其中最大應(yīng)力為2.398 × 102MPa，最小應(yīng)力為2.335 × 10?2MPa。 最大應(yīng)力位置在 3 號(hào)與 4 號(hào)接頭處，而此處采用鈦合金加工，許用應(yīng)力較高，且實(shí)際變形量較小，符合設(shè)計(jì)要求。該 擾流板拓?fù)鋬?yōu)化符合強(qiáng)度要求。

                                                      圖 8 拓?fù)鋬?yōu)化后擾流板的米塞斯等效應(yīng)力分析

    綜上所述，該擾流板通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，減重????. ????%。并通過(guò)剛度和強(qiáng)度驗(yàn)證，符合設(shè)計(jì)要求。

    結(jié)論 

    本設(shè)計(jì)借助于 Altair 的設(shè)計(jì)優(yōu)化工具在設(shè)計(jì)前就進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先設(shè)計(jì)出支架的合理傳力路徑，避免了周期 漫長(zhǎng)的反復(fù)設(shè)計(jì)更改，提高了設(shè)計(jì)效率，并對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后的支架進(jìn)行建模和分析確保了結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與外觀。最 終此設(shè)計(jì)在第一屆中國(guó)商飛 3D 打印結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大賽中榮獲二等獎(jiǎng)。

---

    【想獲得更多信息，請(qǐng)加技術(shù)鄰微信客服 jishulink888。也可以申請(qǐng)?jiān)囉谩⒚赓M(fèi)測(cè)算、報(bào)名培訓(xùn)、研發(fā)人員20人以上的企業(yè)可以申請(qǐng)免費(fèi)上門(mén)內(nèi)訓(xùn)】