CN109101711A - 一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法 - Google Patents

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夏甜
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Abstract

本发明涉及飞机结构设计领域，具体涉及一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法。一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法，第一步建立框梁拓扑优化结构的毛坯料有限元模型，进行静力的有限元分析；第二步根据静力分析结果，结合优化目标和实际边界条件确定需要进行筋条布局优化的设计区域和不需要优化的非设计区域；第三步对设计区域，定义设计变量、变量约束和目标函数，通过分析得到框梁结构的最佳材料分布方案，确定框梁结构；第四步对框梁结构的最佳材料分布方案进行静力分析，评估其应力水平和重量水平。

Description

一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法
技术领域
本发明涉及飞机结构设计领域，具体涉及一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法。
背景技术
钛合金框梁结构是机体结构的关键主承力构件，是提高机体刚度和强度，降低机体结构重量和提高机体寿命的重要结构。传统方法设计框梁件结构，首先根据结构设计原则在框腹板区域均匀布置筋条，然后对结构进行有限元分析，根据应力和位移结果对部分区域进行增强或减弱。这种过于保守的逆向设计方法，对于以减重、长寿命为重要指标的航空航天设计行业，并不能满足设计需求。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法，用于对飞机框梁结构进行设计。
本发明的技术方案是：
一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法，包括以下步骤：
1.1建立框梁拓扑优化结构的毛坯料有限元模型，进行静力的有限元分析；
1.2根据静力分析结果，结合优化目标和实际边界条件确定需要进行筋条布局优化的设计区域和不需要优化的非设计区域；
1.3对设计区域，定义设计变量、变量约束和目标函数，通过分析得到框梁结构的最佳材料分布方案；
1.4对框梁结构的最佳材料分布方案进行静力分析，评估其应力水平和重量水平。
可选地，所述设计变量为设计区域内每个单元的密度，所述变量约束为加载点的位移约束和材料的应力约束，所述目标函数为最小质量分数。
本发明的有益效果：
本发明的基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法，框梁结构采用了基于拓扑优化理论的设计方法，这种首先建立框梁拓扑优化结构的毛坯料有限元模型，并分析优化出最佳的材料分布的正向设计方法，避免了传统逆向设计方法中无用重量的赔付，在减轻结构重量的同时，简化了生产工艺，降低了生产成本，在满足飞机重量设计指标和提高经济效益方面具有一定的竞争力。
附图说明
图1是本发明的毛坯料有限元模型图；
图2是本发明框梁结构模型图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。
本发明的一个目的是提供一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法，用于对飞机框梁结构进行设计。
本发明的技术方案是：
一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法，包括以下步骤：
第一步建立框梁拓扑优化结构的毛坯料有限元模型，并进行静力的有限元分析；
第二步根据静力分析结果，结合优化目标和实际边界条件确定需要进行筋条布局优化的设计区域1和不需要优化的非设计区域2，其中，集中载荷加载接头为非设计区域，框梁结构其他部分为设计区域。
如图1所示的本发明的毛坯料有限元模型图，材料只会在图1所示的设计区域范围内合理化布置；
第三步对于设计区域，定义设计变量、变量约束和目标函数等拓扑优化参数，所述设计变量为设计区域内每个单元的密度，根据选择的材料确定；所述变量约束包括加载点的位移约束和材料的应力约束，其中加载点的位移约束可以设置为495Mpa，材料的应力约束可以设置为+-0.1；所述目标函数为最小质量分数,即使用材料最少，质量最小；确定好拓扑优化参数后提交OptiStruct分析计算，通过分析得到框梁结构的最佳材料分布方案，确定框梁结构，通过本发明基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法设计的框梁结构如图2所示。
第四步对框梁结构的最佳材料分布方案进行静力分析，评估其应力水平和重量水平，基于拓扑优化方法设计的框梁结构对于与基于传统设计方法的框梁结构相比，减少了筋条3数量，框梁结构重量减轻。
本发明所示的基于拓扑优化理论的优化结构的材料分布方法，减轻了结构重量，降低了生产成本，简化了生产工艺，在满足飞机重量设计指标和提高经济效益方面具有很大的优势。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1建立框梁拓扑优化结构的毛坯料有限元模型，进行静力的有限元分析；
1.2根据静力分析结果，结合优化目标和实际边界条件确定需要进行筋条布局优化的设计区域和不需要优化的非设计域；
1.3对设计区域，定义设计变量、变量约束和目标函数，通过分析得到框梁结构的最佳材料分布方案；
1.4对框梁结构的最佳材料分布方案进行静力分析，评估其应力水平和重量水平。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化理论的框梁结构设计方法，其特征在于，在步骤1.3中，所述设计变量为设计区域内每个单元的密度，所述变量约束为加载点的位移约束和材料的应力约束，所述目标函数为最小质量分数。
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