吳昊

【摘 要】民用飛機中接頭是典型的支撐結構件，在滿足設計耳片有效性的前提下，接頭的腹板，筋條等細節(jié)特征要素的位置分布及幾何尺寸對接頭的性能具有直接的影響，往往這類細節(jié)特征難以在設計初期考慮到位。本文通過基于HyperWorks對典型接頭進行優(yōu)化設計的結果，驗證對實際接頭設計具有重要的指導及參考意義。

【關鍵詞】接頭；拓撲；設計

0 引言

在民用飛機固定后緣結構中，接頭是典型常見的受力部件或元件之間的連接結構。常用于與擾流板之間連接。在飛機接頭設計中接頭可以與構件設計成整體結構件，也可設計成單獨的零件與結構件連接。在滿足設計接頭耳片有效性的前提下，接頭的腹板、筋條、緣條、倒角的等細節(jié)特征在設計初期難以考慮，但這些細節(jié)特征卻對接頭的性能有重大的影響。所以在接頭設計初期基于HyperWorks在接頭設計空間中得到接頭的細節(jié)特征大致的位置分布及幾何尺寸從而對后期的接頭詳細設計提供重要指導或參考意義。

1 預期目標

在給定的設計空間中獲得接頭最優(yōu)的材料分布包括緣條、筋條的位置、走向和形狀，同時確定腹板最佳厚度。從而滿足重量、緣條截面積、腹板厚度、靜強度、總體剛度、尺寸約束、截面剛度、穩(wěn)定性等要求。

2 優(yōu)化設計方法

接頭設計初期為概念設計階段主要分為三種類型：拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化及自由尺寸優(yōu)化。接頭設計后期則為詳細設計階段主要包括三種類型：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及自由形狀優(yōu)化。

優(yōu)化設計包含三個要素為，設計變量，目標函數(shù)及約束條件。通過數(shù)學模型可以表達為：

式中U為形變能量（設計目標）；Wa為對外做工（約束條件）；Fi作用力（設計變量）；Wi作用工（約束條件）。

通常而言，設計優(yōu)化的流程圖如圖1所示：

3 結果對比

本文中選取材料的屬性及支架設計空間幾何尺寸如表1及圖2所示：

接頭設計空間的有限元模型如圖3所示：

基于對該接頭的設計空間設置載荷工況及貼合面的約束，設計目標為重量最小化及在加載情況的最小位置。載荷工況如表2所示，貼合面約束情況如上圖3所示：

基于不同的載荷工況，以及不同的約束條件，被優(yōu)化的接頭的形式也有所不同。同時，對于重量的要求不同，接頭結構形式也隨之改變。由于優(yōu)化不包含工藝性考慮，一部分優(yōu)化結果無法實現(xiàn)。圖4選取了同種工況但約束不同的接頭優(yōu)化結果。

4 結論

本文通過上述有限元模型及拓撲計算對典型接頭進行了優(yōu)化設計，驗證了通過采用HyperWorks對典型接頭設計的可行性。同時表明在不同工況及HyperWorks軟件內(nèi)的參數(shù)的設定下，對設計空間中接頭的結構布局有較大的影響，比如筋條的位置尺寸和腹板厚度等。基于HyperWoks的接頭優(yōu)化設計結果再進行深度迭代計算優(yōu)化可對后期接頭的詳細設計具有重要指導及參考作用。

【參考文獻】

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[2]Richard. GPR Horn Mounting Configuration [Diagram] In： Richard， Ground Penetrating Radar Bracket Requirements， Europe： EADS，2010[Z].

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