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拓扑优化技术在航天航空结构增材制造设计中的应用案例

宣布时间：

2023-01-11 12:45

　　在航天航空领域，庞大多变的天气对航行器的结构设计、质料和制造等提出了更高的要求。迫切需要通过制造技术的立异实现结构的轻量化、结构一体化以及提高产品生命周期性能的制造技术。

　　增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，推翻了古板制造技术，可以精密地制造出庞大形状的零件，从而实现了零件”自由制造”。并且相比古板制造业，产品结构越庞大，增材制造的优势也越明显。

　　无疑，无论是实现轻量化、结构一体化照旧以提高产品生命周期性能为目标，设计都发挥着至关重要的作用。本期谷.专栏将通过安世亚太仿真专家通过案例展示如何以产品性能驱动为设计导向，实现飞机结构件的优化。

　　本案例展示了拓扑优化在开放性设计中的剖析流程及要领，主要事情可总结为三点：1)接纳拓扑优化要领获得仿生形态的结构构型，以此作为看法构型;2)基于拓扑优化的结构进行几何重构，以此作为轻量化设计的初始模型;3)结合有限元剖析对上述重构后的几何体进行迭代修改，实现轻量化设计。

　　加速设计与验证的循环

　　大型整体钛合金结构在现代飞机结构中的应用越来越广泛，同时一些结构具有庞大的形状或特殊性。古板制造要领无法满足航空企业对新型号的快速低本钱研制的需求。而增材制造技术可以制造超大、超厚、庞大型腔等特殊结构。

　　因此，增材制造技术不但可以满足航空结构的庞大性要求，还可以降低生产本钱并完成定制化的快速生产。增材制造技术实现了设计革命，彻底解放了设计工程师的思维，实现了“所想即所见”。

　　接纳增材制造技术，快速准确地制造并验证设计思想在飞秘密害零部件的研制历程中已经发挥了重要的作用。在原型制造上，例如风洞模型，3D打印可以快速生产出模型，大大加速”设计-验证”迭代循环。

　　本文列举飞机控制面板的开放性设计案例用于说明拓扑优化在增材制造设计中的剖析应用，在面向增材制造的结构设计中，仿真优化是焦点技术。

　　本案例先是基于拓扑优化剖析获得轻量化的结构构型，再结合结构有限元剖析实现轻量化设计，即拓扑优化开始，遵循拓扑优化-后拓扑结构设计-详细设计优化-设计验证的流程完成了飞机控制面的结构轻量化设计，图1是设计流程图。

图1 设计流程图。来源：安世亚太

　　设计工具及要求

　　飞机控制面板原设计如图2所示，结构蒙皮上侧为不可设计域，以坚持结构外形完整性;结构接头为不可设计域，以确保装配要求。结构其余部位为可设计区域。

　　从左至右依次在接头孔内外貌施加约束，接头1约束X、Y偏向位移，接头2约束X、Y、Z偏向位移，接头3约束X、Z偏向位移，接头4约束X、Z偏向位移，接头5约束X、Z偏向位移，接头6约束X偏向位移。结构在蒙皮上侧施加20000Pa的均布载荷，偏向笔直于外貌向下。

图2 飞机控制面板原设计计划。来源：安世亚太

　　质料为铝合金，质料属性见表1。在满足性能的前提下，可选择任意轻量化设计要领，包括但不限于：拓扑优化、点阵结构、蜂窝结构、仿生结构。

表1 铝合金性能。来源：安世亚太

　　拓扑优化设计

　　拓扑优化基于已知的设计空间和工况条件以及设计约束，确定刚度最大、质量最小的设计计划。它通过盘算质料内的最佳传力路径，最终获得具有最佳质料漫衍的优化结果。拓扑优化革新了古板的功效驱动的经验设计模式，实现了性能驱动设计模式。

　　在看法设计阶段，可以突破设计工程师的思维局限，大大提高设计工程师的事情效率。首先对原结构进行拓扑优化，凭据前述设计要求中的载荷进行加载，基于局部坐标系界说各个连接部位的约束。

　　考虑到轻量化设计因素，所以质料选择为铝合金。目标函数取刚度最大，也即应变能最小。约束条件为体积分数小于10%，工艺约束考虑拔模Z向。

图3 拓扑优化剖析结果。来源：安世亚太

　　从结果可以看出，通过拓扑优化剖析可以获得力的主要通报路径，类似树杈结构�；谕仄擞呕竦玫慕峁剐翁�，可以接纳几何重生的要领构建几何模型，以此作为轻量化设计的看法构型。

　　看法构型可以显示最佳的质料下限漫衍，但纷歧定满足力学性能要求，需要进一步剖析验证�；诖斯剐�，结合有限元剖析，设计工程师可进一步修改结构形态，以获得最优结构构型。

　　轻量化设计及验证剖析

　　凭据拓扑优化的剖析结果，接纳spaceclaim重生几何体。结合有限元剖析获得的应力漫衍，对结构进行轻量化设计，这一步需要迭代修改几何模型，即几何修改-剖析验证-几何修改。

　　如果条件允许，设计工程师可以建立参数化几何模型，再结合参数优化剖析软件如ANSYS optislang，可进行自动优化剖析。通过迭代修改几何模型，获得的轻量化的树杈结构几何模型如图4所示，包括树杈结构、点阵孔、增强筋等几何特征。

图4 树杈结构几何模型。来源：安世亚太

　　对上述几何体接纳高阶四面体单位网格划分，单位尺寸取为4mm，共划分380864个单位。质料设置为铝合金，求解剖析设置中翻开大变形选项，求解盘算后，以下列出位移结构和等效应力结构，如图5所示。

　　从图5a)中可以看出，最大位移为25.087mm，爆发在接近右上角的位置。该位置只有蒙皮，没有树杈和增强筋，所以位移较大。而中间连接位置树杈结构较多，因此刚度较大，所以位移变形很小。

图5 位移及应力结果。来源：安世亚太

　　从图5b可以看出，最大应力为445.29MPa，小于屈服强度450MPa，爆发在牢固连接位置。因为该位置为非设计区域，所以不可修改圆角或倒角。其他区域应力水平较低，可以进一步实现轻量化设计。

　　凭据前述设计及剖析结果，轻量化后的几何体属性列于下表2中。接纳铝合金质料，结构总质量为5.0327kg。在满足力学性能要求的前提下，与原设计结构38.15kg相比，减重86.8%。

表2 优化结果统计。来源：安世亚太

　　总结

　　本文所列举的案例设计是面向增材制造即3D打印的结构优化剖析，以性能驱动设计为导向，综合接纳了ANSYS Topology Opotimization和ANSYS Mechanical剖析软件，实现了满足力学性能要求的结构设计，其几何特征具有明显的树杈结构形态。

　　基于飞机控制面结构的给定设计空间、给定载荷约束条件和设计要求，对飞机控制面结构进行了一体化轻量化设计，设计选用铝合金质料，应用正向设计流程，基于性能要求，从拓扑优化开始，遵循拓扑优化-后拓扑结构设计-详细设计优化-设计验证的流程完成了飞机控制面的结构轻量化设计。

　　虽然，凭据飞机结构完整性的界说要求即影响飞机宁静使用和本钱用度的机体结构件的结构强度、刚度、损伤容限、耐久性和功效的总称。因此，合理的结构不但要考虑强度和刚度，还需要考虑疲劳特性、损伤容限等因素。

　　作者：段卫毅。德国Ingolstadt & Landshut 大学应用盘算力学硕士，10多年CAE行业技术经验，完成了数十项海内外仿真咨询项目和多款CAE软件的内核算法开发。现为安世中德咨询专家，专业从事基于CAE技术的仿真咨询业务，以及与增材制造相关的先进设计效劳。（来源：3D科学谷）

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