拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在航天航空結(jié)構(gòu)增材制造設(shè)計中的應(yīng)用

作者：段衛(wèi)毅
來源：安世亞太

在航天航空領(lǐng)域，復(fù)雜多變的天氣對飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,、材料和制造等提出了更高的要求,。迫切需要通過制造技術(shù)的創(chuàng)新實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化、結(jié)構(gòu)一體化以及提高產(chǎn)品生命周期性能的制造技術(shù),。增材制造俗稱3D打印,，顛覆了傳統(tǒng)制造技術(shù)，可以精密地制造出復(fù)雜形狀的零件,，從而實現(xiàn)了零件"自由制造",。而且相比傳統(tǒng)制造業(yè)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,，增材制造的優(yōu)勢也越明顯,。

無疑，無論是實現(xiàn)輕量化、結(jié)構(gòu)一體化還是以提高產(chǎn)品生命周期性能為目標(biāo),，設(shè)計都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,。本期增材專欄將通過案例展示如何以產(chǎn)品性能驅(qū)動為設(shè)計導(dǎo)向，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化,。

本案例展示了拓?fù)鋬?yōu)化在開放性設(shè)計中的分析流程及方法,，主要工作可總結(jié)為三點：
1、采用拓?fù)鋬?yōu)化方法得到仿生形態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型,，以此作為概念構(gòu)型,；
2、基于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何重構(gòu),，以此作為輕量化設(shè)計的初始模型,；
3、結(jié)合有限元分析對上述重構(gòu)后的幾何體進(jìn)行迭代修改,，實現(xiàn)輕量化設(shè)計,。

加快設(shè)計與驗證的循環(huán)
大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛，同時一些結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的形狀或特殊性,。傳統(tǒng)制造方法無法滿足航空企業(yè)對新型號的快速低成本研制的需求,。而增材制造技術(shù)可以制造超大、超厚,、復(fù)雜型腔等特殊結(jié)構(gòu),。

因此，增材制造技術(shù)不僅可以滿足航空結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要求,，還可以降低生產(chǎn)成本并完成定制化的快速生產(chǎn),。增材制造技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)計革命，徹底解放了設(shè)計工程師的思維,，實現(xiàn)了“所想即所見”,。

采用增材制造技術(shù)，快速準(zhǔn)確地制造并驗證設(shè)計思想在飛機關(guān)鍵零部件的研制過程中已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用,。在原型制造上,，例如風(fēng)洞模型，3D打印可以快速生產(chǎn)出模型,，大大加快"設(shè)計-驗證"迭代循環(huán),。

本文列舉飛機控制面板的開放性設(shè)計案例用于說明拓?fù)鋬?yōu)化在增材制造設(shè)計中的分析應(yīng)用，在面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,，仿真優(yōu)化是核心技術(shù),。

本案例先是基于拓?fù)鋬?yōu)化分析得到輕量化的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，再結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析實現(xiàn)輕量化設(shè)計,，即拓?fù)鋬?yōu)化開始,，遵循拓?fù)鋬?yōu)化-后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計-詳細(xì)設(shè)計優(yōu)化-設(shè)計驗證的流程完成了飛機控制面的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，圖1是設(shè)計流程圖。

圖1 設(shè)計流程圖

設(shè)計對象及要求
飛機控制面板原設(shè)計如圖2所示,，結(jié)構(gòu)蒙皮上側(cè)為不可設(shè)計域,，以保持結(jié)構(gòu)外形完整性,；結(jié)構(gòu)接頭為不可設(shè)計域,，以確保裝配要求。結(jié)構(gòu)其余部位為可設(shè)計區(qū)域,。

從左至右依次在接頭孔內(nèi)表面施加約束,，接頭1約束X、Y方向位移,，接頭2約束X,、Y、Z方向位移,，接頭3約束X,、Z方向位移，接頭4約束X,、Z方向位移,，接頭5約束X、Z方向位移,，接頭6約束X方向位移,。結(jié)構(gòu)在蒙皮上側(cè)施加20000Pa的均布載荷，方向垂直于表面向下,。

圖2 飛機控制面板原設(shè)計方案

材料為鋁合金,，材料屬性見表1。在滿足性能的前提下,，可選擇任意輕量化設(shè)計方法,，包括但不限于：拓?fù)鋬?yōu)化、點陣結(jié)構(gòu),、蜂窩結(jié)構(gòu),、仿生結(jié)構(gòu)。

表1 鋁合金性能

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計
拓?fù)鋬?yōu)化基于已知的設(shè)計空間和工況條件以及設(shè)計約束,，確定剛度最大,、質(zhì)量最小的設(shè)計方案。它通過計算材料內(nèi)的最佳傳力路徑,，最終獲得具有最佳材料分布的優(yōu)化結(jié)果,。拓?fù)鋬?yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動的經(jīng)驗設(shè)計模式，實現(xiàn)了性能驅(qū)動設(shè)計模式,。

在概念設(shè)計階段,，可以打破設(shè)計工程師的思維局限，大大提高設(shè)計工程師的工作效率。首先對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,，按照前述設(shè)計要求中的載荷進(jìn)行加載,，基于局部坐標(biāo)系定義各個連接部位的約束。

考慮到輕量化設(shè)計因素,，所以材料選擇為鋁合金,。目標(biāo)函數(shù)取剛度最大，也即應(yīng)變能最小,。約束條件為體積分?jǐn)?shù)小于10%,，工藝約束考慮拔模Z向。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果

從結(jié)果可以看出,，通過拓?fù)鋬?yōu)化分析可以得到力的主要傳遞路徑,，類似樹杈結(jié)構(gòu)�,；�于��?fù)鋬?yōu)化得到的結(jié)構(gòu)形態(tài),，可以采用幾何重生的方法構(gòu)建幾何模型，以此作為輕量化設(shè)計的概念構(gòu)型,。

概念構(gòu)型可以顯示最佳的材料下限分布,，但不一定滿足力學(xué)性能要求，需要進(jìn)一步分析驗證,�,；�于此��(gòu)型，結(jié)合有限元分析,，設(shè)計工程師可進(jìn)一步修改結(jié)構(gòu)形態(tài),，以得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

輕量化設(shè)計及驗證分析
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的分析結(jié)果,，采用spaceclaim重生幾何體,。結(jié)合有限元分析得到的應(yīng)力分布，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計,，這一步需要迭代修改幾何模型,，即幾何修改-分析驗證-幾何修改。

如果條件允許,，設(shè)計工程師可以建立參數(shù)化幾何模型,，再結(jié)合參數(shù)優(yōu)化分析軟件如ANSYS optislang，可進(jìn)行自動優(yōu)化分析,。通過迭代修改幾何模型,，得到的輕量化的樹杈結(jié)構(gòu)幾何模型如圖4所示，包括樹杈結(jié)構(gòu),、點陣孔,、加強筋等幾何特征,。

圖4  樹杈結(jié)構(gòu)幾何模型

對上述幾何體采用高階四面體單元網(wǎng)格劃分，單元尺寸取為4mm,，共劃分380864個單元,。材料設(shè)置為鋁合金，求解分析設(shè)置中打開大變形選項,，求解計算后,，以下列出位移結(jié)構(gòu)和等效應(yīng)力結(jié)構(gòu)，如圖5所示,。

從圖5a)中可以看出,，最大位移為25.087mm,，發(fā)生在接近右上角的位置,。該位置只有蒙皮，沒有樹杈和加強筋,，所以位移較大,。而中間連接位置樹杈結(jié)構(gòu)較多，因此剛度較大,，所以位移變形很小,。

圖5  位移及應(yīng)力結(jié)果

從圖5b可以看出，最大應(yīng)力為445.29MPa,，小于屈服強度450MPa,，發(fā)生在固定連接位置。因為該位置為非設(shè)計區(qū)域,，所以不能修改圓角或倒角,。其他區(qū)域應(yīng)力水平較低，可以進(jìn)一步實現(xiàn)輕量化設(shè)計,。

根據(jù)前述設(shè)計及分析結(jié)果,，輕量化后的幾何體屬性列于下表2中。采用鋁合金材料,，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為5.0327kg,。在滿足力學(xué)性能要求的前提下，與原設(shè)計結(jié)構(gòu)38.15kg相比,，減重86.8%,。

表2  優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計

總結(jié)
本文所列舉的案例設(shè)計是面向增材制造即3D打印的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，以性能驅(qū)動設(shè)計為導(dǎo)向,，綜合采用了ANSYS Topology Opotimization和ANSYS Mechanical分析軟件,，實現(xiàn)了滿足力學(xué)性能要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其幾何特征具有明顯的樹杈結(jié)構(gòu)形態(tài),。

基于飛機控制面結(jié)構(gòu)的給定設(shè)計空間,、給定載荷約束條件和設(shè)計要求,，對飛機控制面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一體化輕量化設(shè)計，設(shè)計選用鋁合金材料,，應(yīng)用正向設(shè)計流程,，基于性能要求，從拓?fù)鋬?yōu)化開始,，遵循拓?fù)鋬?yōu)化-后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計-詳細(xì)設(shè)計優(yōu)化-設(shè)計驗證的流程完成了飛機控制面的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計,。

當(dāng)然，根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)完整性的定義要求即影響飛機安全使用和成本費用的機體結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度,、剛度,、損傷容限、耐久性和功能的總稱,。因此,，合理的結(jié)構(gòu)不僅要考慮強度和剛度，還需要考慮疲勞特性,、損傷容限等因素,。

—作者—
段衛(wèi)毅
德國Ingolstadt & Landshut 大學(xué)應(yīng)用計算力學(xué)碩士，10多年CAE行業(yè)技術(shù)經(jīng)驗,，完成了數(shù)十項國內(nèi)外仿真咨詢項目和多款CAE軟件的內(nèi)核算法開發(fā)�,，F(xiàn)為安世中德咨詢專家，專業(yè)從事基于CAE技術(shù)的仿真咨詢業(yè)務(wù),，以及與增材制造相關(guān)的先進(jìn)設(shè)計服務(wù),。