某型飞机主承力接头布局拓扑优化设计_安阳.pdf

第43 卷第1期2023 年2 月飞机设计AICAFT DESIGNVol 43 No 1Feb2023收稿日期:2022 01 26;修订日期:2022 11 28作者简介:安阳(1999)，男，硕士研究生引用格式:安阳，姚卫星，黄杰 某型飞机主承力接头布局拓扑优化设计 J 飞机设计，2023，43(1):44 49 AN Yang，YAO Weixing，HUANG Jie Topology Optimization Design for the Layout of the Main Bearing Joint of a Certain Aircraft J Aircraft Design，2023，43(1):44 49文章编号:1673 4599(2023)01 0044 06doi:1019555/j cnki1673 4599202301009某型飞机主承力接头布局拓扑优化设计安阳，姚卫星，黄杰(南京航空航天大学，江苏 南京210016)摘要:为了实现飞机部件的轻量化设计，将拓扑优化和代理模型相结合构建了一个结构布局优化的算法。以某型飞机主承力接头为研究对象，根据结构传力路线和工艺要求，将接头的布局优化转化为耳片的平面拓扑优化与螺栓位置的优化。以接头耳片的厚度和中间排螺栓位置作为布局变量，对每组布局变量下的耳片进行拓扑优化，对布局变量采用基于代理模型的遗传算法进行优化。以质量最小为优化目标，在强度与刚度的多约束条件下，完成了某型飞机主承力接头的布局拓扑优化。结果表明，本方法的优化结果比传统的拓扑优化结果减重约 14.5%，验证了优化算法的可行性与有效性。关键词:布局优化;拓扑优化;多约束;主承力接头;响应面法;变密度法中图分类号:V214文献标识码:ATopology Optimization Design for the Layout of theMain Bearing Joint of a Certain AircraftAN Yang，YAO Weixing，HUANG Jie(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing210016，China)Abstract:In order to realize the lightweight design of aircraft components，a structural layout optimi-zation algorithm was constructed by combining topology optimization and proxy model Taking themain load bearing joint of a certain type of aircraft as the research object，according to the structuralforce transmission route and technological requirements，the layout optimization of the joint is trans-formed into plane topology optimization of lug and bolt position optimization With the thickness ofthe lug and the position of bolts in the middle row as layout variables，topology optimization was car-ried out for the lug under each group of layout variables，and the layout variables were optimized bygenetic algorithm based on proxy model Taking the minimum weight as the optimization objective，the topology optimization of the main load-bearing joint of a certain aircraft was completed under themulti-constraints of strength and stiffness The results show that the weight reduction of the proposedmethod is about 14.5%compared with the traditional topology optimization results，which verifiesthe feasibility and effectiveness of the optimization algorithmKey words:layout optimization;topology optimization;multiple constraints;main bearing joint;response surface method;variable density method飞行器的性能与其结构质量直接相关，在满足强度、刚度等要求条件下减轻结构质量是飞行器结构设计的重要目标。通过拓扑优化可产生众多具有革命性的新型结构，且优化结果能直接反映结构的传力路径，是实现结构设计智能化与自动化的重要方法。随着拓扑优化技术的不断发展和完善1 6，其在飞行器结构的设计与改进方面的应用也越来越广泛。Balabanov 等7 通过基结构法对某型运输机机翼的结构进行了拓扑优化设计。Schramm等8 在充分考虑飞机结构稳定性的条件下，使用了一种基于拓扑优化的多级方法设计了翼梁的结构。邓扬晨等9 基于改进的敏度阈值，构建了一种新的拓扑优化算法，实现了飞机加强框的概念设计。侯杰等10 考虑钉载和疲劳性能，提出了一种对于多钉连接装配结构的拓扑优化设计方法。近年来，代理模型技术在飞行器结构的优化设计中也得到了广泛的应用11，代理模型技术也不再仅仅起到近似替代复杂模型的作用，而且发展成为一种基于历史数据驱动样本点补充，进而逼近局部或全局最优解的优化机制12。李鹏13 利用响应面拟合法来解决可靠性拓扑优化问题。司马怡聃等14 将响应面法与平面拓扑优化相结合，完成了飞机平尾悬挂支臂的布局优化设计。通过拓扑优化可以得到单连续体元件结构的布局，但对于组合体结构的型式和布局设计，目前尚不能像结构元件设计一样完全采用定量设计15，因此，研究组合体结构的布局优化设计策略，具有重要的实际价值与工程意义。本文以某型歼击机的主承力接头为设计对象，将接头的耳片厚度和中间排螺栓位置作为布局变量，通过中心组合设计算法设计响应面试验。基于多约束下的连续体结构拓扑优化方法，采用 OptiStruct 软件对每组布局变量下的耳片进行平面拓扑优化，通过代理模型的优化与更新，完成接头布局优化设计。1基于代理模型的布局拓扑优化方法1.1拓扑优化模型以结构质量最小为优化目标，在应力与位移约束下，采用变密度法进行拓扑优化的数学模型find D=(d1，d2，dN)Tmin W(D)s t SiSmax(i=1，2，N)LjLmax(j=1，2，n)0di1式中:di为设计变量，表示设计空间中有限元单元的单元密度;W 为结构总质量;Si为结构的应力;Smax为结构危险点的最大应力水平;Lj为结构位移约束点的位移;Lmax为位移约束值;N 为设计空间中的单元个数;n 为位移约束点的个数。1.2结构布局优化模型按照传力分析和制造工艺，将涉及结构布局的某些变量设置为布局变量，把三维组合体结构的布局优化问题分解为子结构的拓扑优化与布局变量的响应面优化 2 个子问题。基于拓扑优化的结果构建代理模型，采用遗传算法对代理模型进行寻优，其算法模型见图 1。具体的优化流程:图 1结构布局优化算法流程(1)确定布局变量根据设计要求与工程经验，选取涉及设计对象结构布局的、对结构质量及结构功能影响较大的参量作为布局变量，即响应面试验设计的设计变量。(2)设计响应面试验根据传力分析与工程实际要求，确定设计变量的取值范围，基于中心组合设计算法在 Design-Expert 软件中生成样本点集。(3)通过拓扑优化采集样本响应值在 Opti-Struct 软件中对每组样本点对应的设计对象进行54第1 期安阳等:某型飞机主承力接头布局拓扑优化设计拓扑优化，将求得的结构质量作为样本响应值。由试验设计算法直接生成的样本点并不一定都在优化设计的可行域内，需要在有限元软件中进行分析校核，剔除优化前原始结构已不能满足强度、刚度等约束要求的样本点。(4)代理模型的优化与更新以各组试验所得试验结果为响应因变量进行响应面拟合，对构建的代理模型进行寻优。在有限元软件中计算最优解对应的设计变量组合的真实响应值，对代理模型在最优解处的精度进行验证。如果结果不满足精度要求，则将其作为一组新的样本点加入到当前的样本点集中，构建新的代理模型，并再次对模型进行寻优。(5)迭代最优解重复步骤(4)，通过迭代提高代理模型在最优点处的精度，直到优化目标的寻优预测值与实际值的相对误差小于给定指标，或最优解在一定的容限下，不再在前后2 次迭代间发生改变，停止迭代，并输出最优解。2某型飞机主承力接头布局拓扑优化2.1设计问题与分析本文的设计对象为某重型歼击机的主承力接头，其原始结构由 7050 铝合金机加成形，如图 2 所示。接头底部通过由上而下的 4 对螺栓与机体相连，前端为 3 排并列的耳片，每个耳片通过前后 2个螺栓孔与机载设备连接。图 2接头原始结构连接与受载示意接头承受的最严重工况载荷为一个较大的弯矩 M 和一个大致向下的剪力 F，将载荷分配到各耳片孔的结果见表 1。其中，孔 1、2 和 3 为远离接头底座的 1 排孔，2 排孔的序号均沿 Y 轴正方向递减。表 1接头分配到耳片孔的载荷N耳片孔FXFYFZ孔 122 116.352.51636 742.25孔 232 630.31.1239344 319.73孔 322 013.3107.28736 876.13孔 416 969.691 228.98938 839.1孔 57 475.0279.016 3224 858.9孔 616 853.961 175.9138 983.9根据主承力接头原始结构的特征，将其拆分为 3 组耳片分别进行优化设计。将图 2 所示的第1 组和第 4 组螺栓的位置固定，中间的 2 组螺栓合并为 1 组，并将该组螺栓的位置坐标 X 定义为一个布局变量。由表1 的数据可知，两侧的2 个耳片所受载荷基本相同，故只取其一进行设计。因此，将接头的中间耳片的厚度 t25、外侧耳片的厚度 t14与底部中间排螺栓的位置坐标 X 定义为布局变量。此外，由于耳片的横向受载远小于面内2 个方向的载荷，又考虑到此横向载荷可转化为1 对耳片面内的拉压载荷进行传递，故在后续设计中先忽略接头的 Y 向载荷，最后再予以加强和校核。采用二维壳单元建立耳片的有限元模型，材料采用 7050 铝合金，弹性模量为 69 000 MPa，泊松比为 0.33，密度为 2 830 kg/m3。将拓扑优化的应力约束取为 372 MPa，位移约束设置为接头耳片外侧圆孔中心处沿竖直加载方向的位移不超过1.05 mm。2.2代理模型的构建与优化基于中心组合设计算法，在 Design-Expert 软件中对 t25、t14与 X 3 个因素进行响应面试验设计。根据每组样本点的设计变量取值，在 HyperMesh软件中建立对应的耳片模型，采用 OptiStruct 求解器在应力与位移约束下对耳片进行拓扑优化。将外侧耳片质量 m14的 2 倍与中间耳片质量 m25求和，即接头的总质量 m 作为样本响应值进行响应面拟合。试