OptiStruct幫助提高商用飛機市場競爭力

技術支持

2019年10月30日 17:08

Altair 幫助空客 A380 起飛

行業：航空航天

挑戰：在民用航空工業中，減輕設計重量和縮短設計周期是兩個非常突出的問題，傳統的飛機設計思路已經無法滿足這種需求，這需要將先進的計算機優化方法集成到全部部件的設計過程中。

Altair 解決方案：利用OptiStruct進行機翼前緣肋的拓撲優化、尺寸優化和拓撲優化

優點：整個襟翼部分的重量減輕了 44% ；所有 13 根肋的設計方案在七個星期內遞交，保證了設計進度；A380 每英里每座的運行成本為 2.5 美分，比 B747 降低 20%

背景介紹

Altair公司的拓撲優化技術很早以前就已經在汽車行業獲得了非常成功的應用，而該技術在2003年的空中客車A380——世界上最大的飛機設計中才展現出其在飛機部件設計中的強大力量。這種延誤的主要原因可以歸結為：飛機部件的大尺寸以及飛機設計中非常復雜的邊界和載荷條件。同時，飛機部件主要涉及穩定性設計，而以應變能為基礎的拓撲優化技術缺少處理一些屈曲問題的能力。而拓撲優化與尺寸和形狀優化的結合使用則能起到非常好的效果。

這個項目是由Altair公司、Airbus公司和BAESYSTEMS公司三方技術人員共同應用OptiStruct拓撲優化方法設計的第一個航空部件。這個項目因為其在減重方面達到的效果及其革命性的技術創新獲得了2003年度空中客車公司設立的技術創新設計獎。該項目的目標是應用AltairOptiStruct為Airbus A380——世界上最大的飛機設計一組最優的機翼前緣肋。

最初的設計方案類似于一個堅硬的剪切板，該方案超出了要求極其嚴格的設計重量標準。于是，應用拓撲、尺寸、形狀優化工具設計并優化一根機翼上13個肋板的工作項目就此產生。這個項目的進度如此緊張以至于需要在一個星期內完成這13個肋板的優化設計方案。整個工作小組包括AirbusUK結構優化小組和A380的機翼前緣設計小組的工程師，還有來自Altair和BAE SYSTEMS的工程師們。這個工作項目產生了一系列不同結構的肋板，如圖1 所示，它們達到了重量的設計目標并滿足了優化設計中所有的應力和屈曲標準。在2003年6月，該項設計方案已經通過各種試驗測試，為每一架A380飛機帶來的總體減重達到500kg。

挑戰

在民用航空工業中，減輕設計重量和縮短設計周期是兩個非常突出的問題，傳統的飛機設計思路已經無法滿足這種需求，這需要將先進的計算機優化方法集成到全部部件的設計過程中。在2003年，空中客車公司的供應商BAE SYSTEMS首先應用Altair優化工具——OptiStruct來設計更輕巧更有效的航空部件。

首批設計的部件包括機翼前緣肋、主翼盒肋、不同類型的機翼后緣支架以及機身門檔和機身門交叉肋板。對于這些部件的優化設計，在很大程度上要考慮到對屈服性能的要求，同時還要考慮應力和剛度方面的要求。

解決方案

機翼前緣肋的拓撲優化

對于這個肋板的拓撲優化，首要問題就是如何使肋板符合周圍的結構（機翼前緣的蒙皮，主翼盒的前桿及懸垂蒙皮），以及如何最好地模擬機翼前緣肋內部的空氣壓力載荷。

最終得到采用的優化方案采取了對每一根肋單獨進行優化的方式，這樣獲得了非常好的結果。但是拓撲優化還是對肋及其相連凸緣的剛度的敏感度很高。因此，雖然這個問題采用傳統的拓撲優化方法，即將總體的變形能作為目標函數，但是這里的總體應變能不僅包括可設計區——即肋板的能量，還包括通常被認為是不可設計區的肋的凸緣部位的能量。

機翼前緣肋的尺寸優化和形狀優化

根據拓撲優化的結果，可以確定一個擁有最佳載荷路徑的設計方案。將結果中的材料高密度區域作為結構，而將材料低密度的區域用孔來表示，這就使拓撲優化的設計結果接近于桁架結構。

A380的設計者們繼續合作，開發出一整套桁架和剪切板混合的設計方案。在桁架結構的中央增加了豎直的硬板，從而為單面加工的肋板生成T型的截面并為雙面加工的肋板生成十字型的截面。根據這些方案建立了有限元模型，并以此為初始設計進行了尺寸優化和形狀優化，在這些優化中同時考慮了應力和屈曲約束。