增材制造拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的靜力分析與驗(yàn)證

來(lái)源：民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在民用飛機(jī)領(lǐng)域,，增材制造技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，其產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性備受關(guān)注,�,！对霾闹圃焱�?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的靜力分析與驗(yàn)證》一文以民用飛機(jī)艙門導(dǎo)向輪槽零件為研究對(duì)象,，圍繞該零件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),、靜力分析與驗(yàn)證展開研究，為增材制造在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供重要參考,。

思維導(dǎo)圖

研究背景：增材制造技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)
隨著增材制造技術(shù)在民用飛機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程不斷推進(jìn),，增材制造產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性受到廣泛的關(guān)注，且增材制造全流程各環(huán)節(jié)均影響結(jié)構(gòu)性能,。已有研究涉及增材制造的多個(gè)方面,，如齊世文等研究了成形方式對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，陳龍輝等開展了增材制造驗(yàn)證方法的研究,。本文聚焦于經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的民用飛機(jī)登機(jī)門導(dǎo)向輪槽零件,，采用鋪粉式選區(qū)激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)和Ti-6Al-4V鈦合金材料，進(jìn)行有限元分析并制定靜力驗(yàn)證試驗(yàn)方案,。

導(dǎo)向輪槽結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì),、載荷與優(yōu)化
結(jié)構(gòu)與載荷工況
導(dǎo)向輪槽零件通過四個(gè)螺栓安裝在門框上，在艙門提升時(shí)起導(dǎo)向作用,，并承受開門,、關(guān)門過程中密封件回彈力引起的滾輪支反力。主要的載荷工況是兩種故障情況下的載荷工況,，包括止動(dòng)塊破損工況和負(fù)壓工況,，止動(dòng)塊破損工況載荷為6.44KN，負(fù)壓工況載荷為4.19kN,，傳遞載荷的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向軸上的滾輪,。

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
增材制造工藝為零件設(shè)計(jì)帶來(lái)更多可能，零件拓?fù)鋬?yōu)化流程涵蓋零件設(shè)計(jì)區(qū)域定義,、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),、幾何重構(gòu)和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證四個(gè)環(huán)節(jié)。文章按此流程,，選用Ti-6Al-4V鈦合金材料,，綜合考慮兩種載荷工況，借助Inspire拓?fù)鋬?yōu)化軟件開展導(dǎo)向輪槽的拓?fù)鋬?yōu)化工作,。以結(jié)構(gòu)剛度為約束條件,，體積最小化為優(yōu)化目標(biāo)，定義設(shè)計(jì)區(qū)域（圖2(a)）,，得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果（圖2(b)）,，展示了主要傳力路徑,。之后利用CATIA建模軟件進(jìn)行幾何重構(gòu)，獲得最終的導(dǎo)向輪槽零件結(jié)構(gòu)（圖3）,。

（a）設(shè)計(jì)區(qū)域（褐色）

（b）拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖2拓?fù)鋬?yōu)化模型及結(jié)果

（a）立體圖

（b）主視圖

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化后的導(dǎo)向輪槽結(jié)構(gòu)

有限元仿真分析：模擬零件力學(xué)性能
有限元建模方案
利用ABAQUS分析軟件,，根據(jù)導(dǎo)向輪槽的兩種載荷工況建立有限元分析模型。由于零件采用不規(guī)則拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu),，模型選用適應(yīng)性強(qiáng)的二階四面體網(wǎng)格單元,，總數(shù)為336653（圖4）。通過建立與導(dǎo)向軸尺寸一致的圓柱結(jié)構(gòu)模擬加載條件（圖5）,，將螺栓孔周圍節(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)建立Coupling約束固定模型（圖6）,，并建立底板結(jié)構(gòu)模擬周圍結(jié)構(gòu)的支撐作用，底板與導(dǎo)向輪槽建立接觸屬性,。

圖4 導(dǎo)向輪槽有限元模型

圖5 加載示意圖

圖6 螺栓孔約束示意圖

有限元分析結(jié)果
經(jīng)過有限元分析,，得到負(fù)壓工況和止動(dòng)塊破損工況下的Mises應(yīng)力云圖（圖7、圖8）,，可知兩種工況下應(yīng)力最大位置在螺栓孔附近的R區(qū),，且均未超鈦合金材料許用強(qiáng)度，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)區(qū)域在止動(dòng)塊破損工況下應(yīng)力水平相對(duì)較高,。同時(shí)得到位移云圖（圖9,、圖10），顯示結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在加載位置附近,，兩種工況下變形均較小,，整體剛度較好。

圖7 負(fù)壓工況下的有限元模型Mises應(yīng)力云圖

圖8 止動(dòng)塊破損工況下的有限元模型Mises應(yīng)力云圖

圖9 負(fù)壓工況下的有限元模型位移云圖

圖10止動(dòng)塊破損工況下的有限元模型位移云圖

靜力試驗(yàn)設(shè)計(jì)：驗(yàn)證零件實(shí)際性能
試驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
選擇止動(dòng)塊破損工況的載荷作為試驗(yàn)載荷,，因其應(yīng)力較大且對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域強(qiáng)度考核明顯,。試驗(yàn)采用鋼質(zhì)平板底座和圓柱加載頭模擬實(shí)際工況，底座通過螺栓與試驗(yàn)件連接,，加載頭幾何外形與實(shí)際滾輪一致（圖11）,，液壓作動(dòng)器通過加載頭加載（圖12）。

圖11 試驗(yàn)件安裝示意圖

圖12 水平加載的試驗(yàn)臺(tái)

測(cè)量方案
應(yīng)變片布置4個(gè)單向應(yīng)變片（圖13）,，對(duì)于應(yīng)變片無(wú)法粘貼的部位,，采用光纖光柵應(yīng)變測(cè)量方法，布置4個(gè)光柵（圖14）,。通過對(duì)長(zhǎng)250mm,、寬80mm、厚3mm的鋁板進(jìn)行3次加載試驗(yàn),，標(biāo)定光纖光柵應(yīng)變測(cè)量工具,，確定修正系數(shù)為1.77。

圖13 應(yīng)變片布置位置（4個(gè)單向應(yīng)變片）

圖14 光纖光柵布置位置（共計(jì)4個(gè)光柵）

試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論：驗(yàn)證模型與零件性能
試驗(yàn)結(jié)果分析
靜力試驗(yàn)的載荷-應(yīng)變曲線（圖16、圖17）表明,，導(dǎo)向輪槽零件在試驗(yàn)載荷加載過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效,，應(yīng)變隨載荷增加呈線性增長(zhǎng)。試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)變分布趨勢(shì)與有限元模型分析結(jié)果一致（圖18）,，除應(yīng)變小于100μStrain的位置外,，有限元分析應(yīng)變誤差最大值為13%。

圖16 靜力試驗(yàn)應(yīng)變片的載荷-應(yīng)變曲線

圖17 靜力試驗(yàn)光柵的載荷-應(yīng)變曲線

圖18 試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比

研究結(jié)論
拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的導(dǎo)向輪槽零件能滿足承載要求,，有限元模型對(duì)靜力試驗(yàn)?zāi)�擬具有合理性,，為增材制造在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了實(shí)踐依據(jù)和技術(shù)支持。

作者信息
王倩倩* 吳磊 楊釩 柯金霖（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,，上海 201210）

論文信息
引用格式：
王倩倩,吳磊,楊釩,等.增材制造拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的靜力分析與驗(yàn)證[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究,2024(4):19-24.
DOI: 10.19416/j.cnki.1674-9804.2024.04.004