飞机控制面结构优化设计

1. 设计对象

1.1 模型描述

设计对象为飞机控制面结构，结构如下图1所示，模型长1220mm,宽426-470mm，有6个接头与其他部件连接；结构蒙皮上侧为不可设计域（图1中黄色区域所示），以保持结构外形完整性；结构接头为不可设计域（图1中紫色区域所示），以确保装配要求。结构其余部位为可设计区域（图1中绿部分）。

图1飞机气动控制面结构

1.2 边界条件

在6个接头孔的内表面施加约束，接头位置如图1所示。1接头约束X、Y方向位移，2接头约束X、Y、Z方向位移，3接头约束X、Z方向位移，4接头约束X、Z方向位移，5接头约束X、Z方向位移，6接头约束X方向位移。

结构在蒙皮上侧施加20000Pa的均布载荷，施加面如图1中黄色部分所示，方向垂直于表面向下。

1.3 材料描述

蒙皮材料为铝合金，其余材料为钛合金，具体采用的材料参数如下表1-2所示。

表1  钛合金性能

密度 4500 Kg/m3

抗拉强度 900 MPa

压缩强度 880 MPa

弹性模量 108 GPa

泊松比 0.33

表2  铝合金性能

密度 2760 Kg/m3

抗拉强度 450 MPa

压缩强度 270 MPa

弹性模量 68 GPa

泊松比 0.33

2. 网格划分

分析采用Hypermesh-OptiStruct进行，网格模型如下图2所示，采用3D网格划分，网格模型雅各比系数大于0.41。

图2网格模型

位移边界条件借助1D单元进行约束，细节如图2放大区域所示，载荷边界条件如下图所示，在蒙皮上表面施加压力载荷。

图3载荷边界条件

3. 优化分析

在topology中选择主体结构并创建‘design’设计区，在parameters中添加压力条件，在response中创建Mass和Sress响应，在dconstraints中添加压力上下限，设置目标为Mass最小，结果密度图如下图4所示，载荷图如下图5所示。

图4密度分布图

图5密度分布图

在等值面中创建拓扑优化模型如下所示

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