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基于HyperWorks的活动窗骨架设计 |
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作者：中航工业西飞技术中心 陈卫卫 |
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摘要：本文论述了Altair HyperWorks软件RADIOSS求解器和OptiStruct优化技术在新涡桨飞机活动窗骨架结构设计中的应用。利用RADIOSS求解器对活动窗结构进行鸟撞分析，根据鸟撞分析结果得到鸟体与结构之间的接触力，以此作为结构优化的载荷工况；再利用OptiStruct优化技术对活动窗骨架结构进行结构分析与尺寸优化，使结构重量最轻。
关键词: RADIOSS，OptiStruct，鸟撞分析，尺寸优化，活动窗骨架
0前言
在新涡桨飞机的研制中，活动窗骨架结构处于适航规章要求的鸟撞区域内，因此该结构应进行抗鸟撞设计。本文应用RADIOSS领先的非线性动力求解技术，对新涡桨飞机活动窗骨架结构进行鸟撞分析，通过分析得到计算接触力，然后用接触力和纯气密载荷作为设计载荷进行活动窗结构设计。根据这些载荷工况再采用OptiStruct求解器对活动窗骨架结构进行尺寸优化设计，使结构满足重量、强度、刚度要求，同时提高结构抗鸟撞能力，降低飞机研制风险。
1 结构概述
新涡桨飞机两侧活动窗结构作为机组人员的应急出口，活动窗结构位置示意图见图1。活动窗由窗体、玻璃组件及运动机构等组成。窗体选用7050铝合金厚板整体机加，截面形状为加筋的“［”形，玻璃组件选用层合有机玻璃，密封带截面形状选用“双O型”，密封带、玻璃组件及窗体用螺栓直接相连,活动窗结构如图2所示。
2鸟体模型和活动窗结构模型
2.1鸟体模型
目前，采用耦合法进行鸟撞分析时，可选取鸟体模型包括Lagrange模型，Euler模型，ALE模型和SPH模型四种。本文采用SPH模型，SPH是一种无网格算法，是把物理流场用一定速度的集中质量点来描述，每个质量点作为该流场的插值点，问题的解通过这些质点的规则插值函数来得到，守恒方程用质点内力来表达，可以直观的模拟鸟体的抛洒现象。这种鸟体模型适宜处理大变形和大位移问题，且十分容易模拟由多种材料组分（如血、肉、骨骼等）构成的鸟体，且数值模拟计算特别稳定。
鸟体的形状选择两端为圆球的圆柱体，如图3所示,SPH鸟体粒子模型如图4所示，共计10564个节点，重量为1.8Kg。鸟体的圆柱体直径D由公式(1)来确定。
式中：D为圆柱体直径；
m为理想鸟的质量；
ρ为理想鸟体材料的平均密度。
采用RADIOSS粘性流体材料（hydrodynamics viscous fluid material）/MAT/LAW6模拟流体和气体，鸟体本构关系如下：
2.2活动窗结构有限元模型
根据活动窗结构设计方案建立有限元细节模型，进行鸟撞分析时所有结构件均采用六面体单元，用弹簧单元和固连接触方法模拟结构螺钉连接，弹簧单元一端与压板建立固连接触，另外一端与活动窗骨架建立固连接触关系，由于透明件采用压板式连接，给连接单元处施加2780N初始螺栓预紧力。模型共计99760个节点，73592个单元，有限元模型见图5。
2.3接触定义
使用RADIOSS里/INTER/TYPE7定义鸟体与结构及结构之间的接触关系，其中type7为通用的点面接触，面为主，点为从。鸟体与结构之间的接触如图6所示，红色节点集为鸟体模型，浅蓝色组件为玻璃组件。
3 活动窗结构接触力分析
运用HpyerWorks软件RADIOSS求解器对新涡桨飞机活动窗结构初始设计方案进行抗鸟撞分析，从分析结果中获取鸟体与结构间的接触力，运用HyperGraph模块生成各撞击点接触力时间历程曲线，并对各接触力时间历程曲线进行滤波处理。
选取活动窗结构上5个点进行抗鸟撞分析，5个点具体位置如图7所示，鸟体速度为逆航向V＝138.9m/s。5个撞击点接触力时间历程曲线分别见图8～图12。
4优化问题数学模型
大多数结构优化都以有限元法为基础。无论采用那种优化方法都要求进行多次迭代，最终找到最佳的设计方案。
一般的优化问题用以下数学表达式表示
公式（1）中f(x)描述的是目标函数，gj(x)和gju分别描述的是第j个约束响应和它的上边界，M为总约束数。xi为第i个设计变量，xiL和xiU分别描述的是它的下边界和上边界，N为总设计变量数。通常优化问题的设计变量包括：尺寸变量、形状变量等。目标函数和设计变量是以下响应的任何情况：结构件的体积或重量、柔度、固有频率、位移、应力等。
5 活动窗骨架结构尺寸优化
5.1有限元模型
根据活动窗结构设计方案建立有限元细节模型，进行优化分析时活动窗骨架和压板结构简化为板壳单元，骨架接头和透明件简化为六面体单元，用CWELD单元模拟活动窗骨架和压板结构间的螺钉连接，用CGAP单元模拟压板、骨架与透明件间的接触，模型共计127375个节点，109788个单元，有限元模型见图13。
5.2载荷及边界条件
5.2.1 载荷工况
选取5个撞击点的接触力和纯气密共6种载荷情况对活动窗骨架结构进行尺寸优化。5个撞击点的接触力取自图8～图12，纯气密载荷为0.0802MPa，各载荷情况见表1。表1 载荷情况表
 5.2.2 边界条件
优化分析时，约束骨架连接接头处节点的x、y、z三个方向平动自由度。
5.3优化要素
5.3.1 优化设计变量
充分考虑加工工艺性及结构安装通畅等对活动窗骨架设置优化区域、优化变量，本此优化的设计变量包括骨架框的上下缘条、腹板、加强肋的厚度，变量总数为45个。
5.3.2 优化约束
活动窗骨架优化时采用应力和变形两种约束条件，具体要求如下：
a)应力约束
纯气密载荷情况：σ<380MPa；
各撞击点接触力载荷情况：σ<448MPa
b)位移约束
骨架对角相对位移小于4mm
5.3.3优化目标
满足静强度约束条件下，活动窗骨架结构重量最小。
5.4优化结果
在优化过程中，迭代10次满足了收敛性条件，在每次迭代中，目标函数值均有较大变化。优化后活动窗骨架重量为7.19kg，减重1.86kg, 减重百分比20.6%。
6 结论
采用RADIOSS求解器对活动窗结构进行鸟撞分析，用OptiStruct优化技术对活动窗骨架进行优化，通过分析可知活动窗骨架结构有较大的减重潜力，优化结果可以供后续详细设计参考。优化后活动窗骨架重量为7.19kg，比优化前重量9.05减少1.86kg，减少20.6%。考虑到加工工艺性、活动窗机构可靠性、结构安装通畅等因素，还需要对局部结构进行详细设计和分析。
7 参考文献
[1] 中国民用航空总局. CCAR-25-R3中国民用航空规章第25部[S]，1985
[2] HyperWorks Reference Guide
[3] 李为吉等编著.《飞行器结构优化设计》.国防工业出版社，2005
[4] 钱令希著.《工程结构优化设计》.水利水电出版社，1983(end)
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(10/15/2013) |
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