在航空产品设计中OptiStruct优化技术的应用

2.4 计算结果

    应用RADIOSS进行求解，支架上最大应力为21.6MPa，仅出现在支架局部区域，而其余部分应力都较小，图3是其整体应力分布云图，图4是其局部应力放大云图；支架上最大变形为0.003mm，发生部位如图5所示。

图3 整体应力云图

图4 局部应力云图

图5 变形云图

3 Topology优化分析

    根据静态分析可知，其最大应力(21.6MPa)远远小于材料的屈服强度(393MPa)，结构减重的潜力很大。为了在减重的同时改善其强度与刚度力学性能，应用OptiStruct对支架进行Topology优化分析。

3.1 优化变量

    考虑到支架与其他零件的装配关系，把支架有限元模型分为设计区域与非设计区域两个部分：即仅对设计区域进行优化设计，使材料在此空间内进行重新分布，从而达到减重及改善力学性能的目的；对于非设计区域，单元形状与数目均不改变，以保证装配的功能性得以实现。设计区域与非设计区域如图2所示，其中绿色单元为设计区域，紫色单元为非设计区域。

    为了得到正确的优化结果并方便产品的加工与制造，还添加了最小尺寸与拔模加工工艺约束。

3.2 优化目标

    若以重量为优化目标，几乎所有材料都被去掉，显然这样的优化结果是不合理的。因此，经过仔细考虑，设置优化目标为模型的应变能最小（即刚度最大）。

3.3 优化约束

    根据优化目标，当所有优化变量部分的单元均保留时，有限元模型的应变能最小。因此，必须对Topology优化进行约束。这里，以体积比为优化约束：设置体积比上限为0.2，即要求优化后的体积最多为原始体积的20%。

3.4 优化结果

    优化设计使用的方法为密度法。从优化结果来看，原始模型有的部位变薄，有的部位被挖空，而这样的材料分布也最符合应力的流向。图6是Topology优化结果的三维视图，图7与图8分别从正反两面对优化结果进行显示。其中，灰色部分为原始模型，绿色部分为单元保留部分（应力较大）。

图6 Topology优化结果

图7 Topology优化结果

图8 Topology优化结果