OptiStruct結構優化技術在航空結構設計中的應用

作者：Simwe    來源：Altair    

“我們對某航空產品支架進行靜態分析，并在此基礎上完成拓撲優化分析。根據優化分析結果對原結構進行修改，對改進后的結構進行靜態分析。結果表明，應用OptiStruct結構優化技術，不僅能夠極大地降低產品的重量，而且對于改善產品的力學性能也具有積極的促進作用。”  —— 摘自 2010HTC大會用戶論文

簡介

    利用Altair HyperWorks結構優化工具OptiStruct對某航空產品支架進行拓撲優化分析，并結合其強大的前處理軟件HyperMesh、后處理軟件HyperView以及通用仿真分析軟件RADIOSS對優化前后的產品進行分析，從應力、變形、重量等方面對計算結果進行比較、總結。結果表明優化創新設計工具OptiStruct在改善機械產品性能、提高設計工作效率方面具有非常重要的作用，對航空產品設計及優化具有借鑒意義。

挑戰

    以有限元法為基礎的結構優化設計工具已經被廣泛而深入地應用到各行各業，在航空航天、汽車、機械等領域取得了大量革命性的成功應用。對于航空產品來說，重量是衡量產品性能一個非常重要的指標。如何降低產品重量，同時提高產品性能成為目前航空設計人員關注的重要問題之一。

   慶安集團在進行某航空產品支架的設計中，需要對其結構進行優化設計，以降低產品的重量。

    首先應用RADIOSS進行求解，得到支架上最大應力為21.6MPa，且僅出現在支架局部區域，而其余部分應力都較小，如圖3-5所示。

    根據以上分析可知，其最大應力遠遠小于材料的屈服強度，進行結構減重的潛力很大。

解決方案

    考慮到支架與其他零件的裝配關系，把支架有限元模型分為設計區域與非設計區域兩個部分(圖2)：即僅對設計區域進行優化設計，使材料在此空間內進行重新分布，從而達到減重及改善力學性能的目的；對于非設計區域，單元形狀與數目均不改變，以保證裝配的功能性得以實現。為了得到正確的優化結果并方便產品的加工與制造，還添加了最小尺寸與拔模加工工藝約束。

   根據優化目標，當所有優化變量部分的單元均保留時，有限元模型的應變能最小。因此，必須對拓撲優化進行約束，以體積比為優化約束。

    優化設計使用的方法為密度法。從優化結果來看，原始模型有的部位變薄，有的部位被挖空，而這樣的材料分布也最符合應力的流向。

    根據拓撲優化結果對支架幾何模型進行修改，改進后的模型如圖9所示。重新對幾何模型進行網格劃分，根據初次分析結果，在應力較大部位進行網格細化，有限元模型如圖10所示。

應用RADIOSS再次進行求解，優化后支架整體應力分布情況如圖11-13所示：

結論

    應用OptiStruct進行結構優化時, 優化后的支架應力最大值為15.3MPa， 降低了29.2%；其重量也減少了16.8%，節約了制造成本。優化后的結構應力分布比較均勻，其材料分布與結構中應力流的走向吻合較好，材料得到了充分的利用。

    此次優化分析的目的在于減重，僅使用拓撲優化技術使材料在設計空間進行重新分布。若能根據結構的特點，綜合OptiStruct其他優化技術如形狀優化、尺寸優化等，充分發揮其優化功能，相信結構的力學性能會得到更大的改善。