结构优化技术在中的应用

　　“为减轻每一克重量而努力”是每个飞机设计工程师的工作信条。随着对飞机动力性能及经济性的要求越来越高，工程师必须在满足苛刻的设计要求的前提下;还要尽可能的减轻重量。此外，为了在设计的最初阶段就能考虑零件的性能，从而使设计具有良好的基因，设计后期不出技术风险。并减少设计反复，工程师必须在概念设计阶段就对产品进行优化设计。传统的参考现有机型或者依据经验进行人工反复设计迭代的过程，已经满足不了新一代飞机结构设计的需要。这就需要有新的技术来满足飞机重量、性能和设计周期的苛刻要求。

　　在寻求和试用新技术的过程中，在汽车行业广泛应用的结构优化技术已得到了各飞机制造商的认可，并逐渐在飞机设计中得到应用。特别是美国AItair公司的0ptiStruct结构优化技术，更是被应用到了几乎所有新一代飞机的设计中。取得了成功，获得多个创新大奖，成为现代飞机结构设计不可缺少的工具。

　　OptiStruct结构优化方法简介

　　OptiStruct是一个以有限元法为基础。面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化。这些方法可以对静力、模态、屈曲、频响、疲劳等分析过程进行优化，支持常见的结构响应，包括质量，惯量，静态位移、应力、应变。模态频率。屈曲因子，应变能，频响位移、速度、加速度，疲劳损伤。复合材料失效因子，以及各响应量的组合等。其稳健高效的优化算法允许在模型中定义上百万个设计变量和设计约束。此外。OptiStruct提供了丰富的参数设置，包括优化求解参数和制造加工工艺参数等。方便用户对整个优化过程进行控制.确保优化结果便于加工制造，从而极具工程实用价值。

　　利用OptiStruct进行飞机结构优化设计，不但可以取得明显的减重效果，而且还具有以下两个优点：一是，零部件传力路径合理，应力分布均匀，结构优化技术能够在给定的设计空间找出最佳的传力路径，并优化结构的最佳尺寸，使得零部件能够以最佳的材料分布去承受各种载荷，从而应力分布均匀，抗疲劳性能良好。二是，提高设计效率，缩短设计周期。基于结构优化技术进行设计，能大大减少人工设计的反复迭代过程，从而加快设计过程。例如，波音基于OptiStruct结构优化技术进行B787前缘翼肋设计，相比B777前缘翼肋的设计流程，设计工作量和设计时间减少了50%以上。

　　OptiStruct在飞机结构设计中的成功案倒：

　　optiStruct在飞机设计中的成功应用始于空客A380的前缘翼肋设计，随后被各大飞机制造商应用于各研发中的机型。

　　案例一：A380前缘翼肋设计

　　作为世界上最大的飞机，A380对每个零部件的重量要求是非常苛刻的。英国宇航公司(BAE。A380前缘翼肋的供应商)采用传统设计方法设计出来的前缘翼肋不能满足重量指标，于是与Altair公司英国分公司合作，采用拓扑优化、尺寸和形状优化的方法，在11个星期内成功设计出创新的、轻量化的前缘翼肋，总计减重达500公斤。

　　案倒二：B787前缘一肋设计

　　波音公司于2003年开始评估各商用结构优化软件，最终也选择了Altai r OptIStruct。随后OptiStruct被大量应用于B787的零部件优化减重，从前缘翼肋到货舱门，从金属接头到复合材料平尾，数百个零部件得到了优化，累计减重达上千公斤。

　　例如，B787前沿翼肋同样采用了拓扑优化、尺寸和形状优化的设计方法，最终得到了桁架式的轻量化设计。以其中一个翼肋为例，其最终设计重量为6磅，而相对应的B777飞机前缘翼肋重量为10磅。通过统计得出，优化后各个翼肋相比B777飞机相应翼肋的重量减少了25%到45%。

　　案倒三：A41ⅪM复合材料货舱门设计

　　A400M是欧洲新一代的军用运输机，降低自身重量，提高货物载重量是设计的重要目标之一。EADS采用OptiStruct结构优化减重技术，对后机身多个机身框以及货舱门进行了优化设计，取得了约15%的减重效果。

　　在货舱门设计中，EADS对铝合金边梁和碳纤维增强树脂复合材料门板进行了尺寸优化，铺层裁剪形状优化和铺层数量优化，得到了轻便结实的结构。

　　除了零部件级别的优OptiStruct还被应用于机身与机翼的布局优化。例如，空客公司在设计A350初期就利用OptiStruct技术对后机身进行了全新的概念设计，相比A330设计取得到了减重15%，并且整体应力分布更为均匀的结果。

　　OPtiStruct结构优化技术在飞机设计中的应用已经非常成熟，在飞机结构减重设计方面取得了大量工程成果，并能提高结构性能和设计效率。是现代飞机设计不可缺少的技术，国内多家飞机设计研究所都已经引进该技术，并开始应用在各种飞机型号设计中，也必将提高我国的飞机结构设计水平。