飞机中央翼一号肋上下搭接尺寸优化

摘要：基于HyperMesh对某型号飞机中央翼一号肋建立细节模型，并采用过渡网格技术将细节模型与机翼整体解模型进行连接，考虑若干重要工况下的应力约束，采用OptiStruct对一号肋上下搭接区域进行优化设计，得到优化缘条厚度分布，实现了轻量化设计，并且性能有所提高。
关键词：一号肋 尺寸优化 HyperMesh OptiStruct

1 有限元模型的建立

采用设计区域细化网格与非设计空间网格过渡方法，建立一号肋及其周边结构的有限元模型。其中，优化空间为上下搭接与外翼以及中央翼的连接缘条。优化区域将通过过渡细化网格与部分机身以及外翼连接。

图1 一号肋及其周边结构

1.1 几何模型

一号肋上壁板采用上缘条“”字型材与“T”形长桁接头进行对接。蒙皮及长桁底板与“”字型材上缘板对接，（长桁根部的底板加宽加厚）；长桁缘板则通过“T”形长桁接头与一号肋“”字型材下缘板对接，如图2所示。

图2 外翼上壁板与中央翼上壁板对接方案

一号肋下壁板采用“T”型下缘条与对接带板进行对接，如图3所示。长桁根部缘板及立板斜削，长桁底板加宽加厚，与蒙皮、带板、“T”型材一起连接，形成壁板根部对接区。外翼下壁板的载荷通过“T”型材水平缘条与带板传给中央翼下壁板。

图3 外翼下壁板与中央翼下壁板对接方案

1.2 网格划分

将一号肋CATIA模型导入HyperMesh，提取几何中面，并在中面上进行有限元网格划分。为减小模型中螺栓连接区域的应力集中，在进行有限元网格划分的时候，在螺栓位置按照给定螺栓直径建立螺栓孔，并在螺栓孔周围建立1-2层Washer网格进行过渡，以减小应力集中。网格单元尺寸采用5mm，如图4所示：

图4 螺栓孔Washer网格过渡

采用上述方法建立一号肋及相邻结构的细化网格模型，单元总数约为300,000个，如图5所示。

图5 一号肋及相邻结构的细化网格模型

1.3 过渡网格模型

为了得到一号肋的准确支撑边界和载荷工况，采用嵌入式的建模方法，将一号肋细化网格模型连接到原有整体模型中。因为细化网格与原有整体模型的网格尺寸差距较大，所以采用过渡网格划分技术，达到粗细网格之间的均匀过渡。所使用的整体模型包含机翼、中机身及中央翼，如图6所示：

图6 整体解模型

将整体模型中原来中央翼的部分网格删除，然后将画好的一号肋细化模型导入到整体解模型中，对连接部分的网格进行细化过渡，如图7所示：

图7 一号肋细化模型与整体解模型过渡

根据模型计算规模挑选若干个最严重工况，采用对称模型进行分析和优化，在机身对称面施加对称约束。施加约束及载荷的有限元模型如图8所示：

图8 模型的载荷与约束

2. 一号肋优化设计

采用OptiStruct结构优化技术，对上、下缘条沿航向和展向的厚度分布进行优化，给出满足应力强度要求下重量最轻的优化结果。

2.1 优化问题定义

优化求解是在有限元模型的基础上，建立设计变量、设计约束和设计目标，由OptiStruct软件通过优化迭代求解得到设计变量和设计目标的最佳取值。一号肋上、下缘条的优化问题定义如下：

设计变量：缘条各区域的厚度，其厚度区域划分如图9，10所示。

图9 上缘条厚度分区（设计变量）

图10 下缘条厚度分区（设计变量）

设计约束：材料在设计工况下的许用应力。一号肋上下缘条材料均为Ti-6Al-4V β退火，查材料手册得强度许用值为770MPa。综合考虑一号肋缘条的静强度和疲劳要求。为了减少部分区域应力集中干扰，同时减小计算规模，选取各厚度区域的关键位置单元施加应力约束。

设计目标：缘条重量最小。

2.2 优化结果

最终的优化模型包含229个设计变量，1400个设计约束。将优化模型提交OptiStruct进行计算，经过8个迭代步优化计算收敛。优化目标迭代曲线如图11所示，缘条设计区域优化后总重量从618.8kg减少到418kg，减少约31%（当然，因为有限元模型采用阶梯厚度，目前的重量不同于对厚度进行光顺后的实际模型的重量，在此仅说明缘条有优化减重潜力）。

图11 目标迭代曲线

在第8迭代步，最大约束违反为0，表示优化结果满足所有施加的设计约束，该优化设计为可行设计，如图12所示。

图12 最大约束变化曲线

优化过程中，设计变量的变化情况如图13所示：

图13 优化变量变化曲线

上、下缘条优化前后厚度分布比较如图14，图15。

图14 上缘条优化前后厚度变化

图15 下缘条优化前后厚度变化

3.3 优化结果验证

尺寸优化后，在重量减轻的前提下，采用某最严重的工况下对新设计进行分析验证。缘条的应力水平比原有设计更低，分布更加合理，如图16-18所示。

图16 某工况下上缘条优化前后应力变化（1）

图17 某工况下上缘条优化前后应力变化（2）

图18 某工况下下缘条应力分布

4 总结

本文对飞机一号肋上、下壁板连接结构的建模方法，包括从CAD模型到网格划分，网格质量控制，载荷和边界条件施加等进行研究，并将整体模型和过渡模型有限元分析结果进行对比，验证项目工作所使用的建模方法的正确性。在过渡模型基础上对一号肋上、下缘条沿航向和展向进行厚度分区，考虑重要工况下的应力约束进行优化设计，得到优化缘条厚度分布，实现了轻量化设计，并且性能有所提高。