CN116956455A - 一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于直升机结构设计技术领域，公开了一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，首先根据气动外形确定框结构的初始模型，再确定设计区域和非设计区域，根据危险工况定义拓扑优化的载荷工况，进行初次拓扑优化；优化结果进行重构，将拓扑优化的结构重构为可机加的结构形式；再次确定设计区域和非设计区域，然后将步骤四的重构结果进行第二次拓扑优化；对第二次拓扑优化结果进行重构，得到可机加的结构形式，最终确定框结构的形式。本发明相较于传统通过逆向设计得到的框结构，对设计人员要求所需经验更低，可大幅提高设计效率。通过二次拓扑优化得到的模型在机加制造上有更高的可行性，在优化结构的基础上有效降低制造成本。
Description
技术领域
本发明属于直升机结构设计技术领域，涉及一种用于直升机的框结构设计方法，具体涉及一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法。
背景技术
壁板加筋结构以支撑框的形式广泛用于各种飞行器。作为主承力结构，对其强度及可靠性有较高的要求。随着机加工艺能力的提升，直升机结构中框的生产多采用整体机加工艺，这对直升机结构中支撑框的设计也提出了更高的要求。
传统框结构设计方式是，首先根据气动外形确定框结构外形轮廓，然后根据经验初步确定壁板厚度及加筋位置，基于初始结构进行有限元分析，根据应力计算结果对局部壁板厚度及筋条形式进行调整，再将调整后的结果再次进行强度计算分析，通过上述过程的反复迭代最终确定框结构形式。传统设计方法存在两方面问题，一方面是需要设计人员有较丰富的设计经验，才能在设计初始有效布置筋条位置，另一方面是反复的迭代过程导致效率较低且较为保守，不利于飞机的减重设计。
在高速直升机设计中，与传统框结构不同的是，部分框结构需要承受较大的壁板面外推力载荷，导致框结构受力形式及载荷工况复杂，传统设计方法难度较高。利用拓扑优化理论可以直接对框结构进行正向设计，但是拓扑优化得到的结构形式难以直接应用于机加生产中。
发明内容
本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，能够确定壁板加筋布置形式和筋条截面形式，快速完成框结构的设计。
本发明的技术方案：
一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，包括以下步骤：
步骤一，根据气动外形确定框结构的初始模型，包括框结构外表面和大开口区域；
步骤二，确定设计区域和非设计区域；
步骤三，根据危险工况定义拓扑优化的载荷工况，进行初次拓扑优化；
步骤四，对优化结果进行重构，将拓扑优化的结构重构为可机加的结构形式；
步骤五，再次确定设计区域和非设计区域，然后将步骤四的重构结果进行第二次拓扑优化；
步骤六，对第二次拓扑优化结果进行重构，得到可机加的结构形式，最终确定框结构的形式。
进一步的，步骤二中，非设计区域包括框结构的一定厚度外形和一定厚度的大开口区域，即边界条件延伸一定厚度；非设计区域是框结构的其他区域。
进一步的，步骤三中，危险工况包括最大推力载荷危险工况和最大垂向过载危险工况。
进一步的，步骤三中，选择最大化刚度为优化目标函数，定义质量目标为优化约束，根据框结构实际尺寸建立厚度约束，针对多个载荷工况对框结构进行初次拓扑优化。
进一步的，步骤四中，根据优化结果确定筋条的宽度和布置位置，并得到相邻筋条围成的不同隔框中壁板的厚度，以此重构出能够采用机加加工而成的初步框结构数模；
进一步的，步骤五中，对初步框结构数模再次进行拓扑优化，将施加载荷和边界条件的区域以及壁板区域定义为非设计区域，其他结构部分定义为设计区域，载荷工况、目标函数、优化约束和几何限制与初次拓扑优化定义内容相同。
进一步的，步骤六中，对优化后筋条截面形状再次重构，将曲面的筋条截面以能够起到相近载荷支撑的相交平面替代，得到能够采用机加加工而成的最终框结构数模。
进一步的，拓扑优化采用Inspire软件，重构数模采用3D制图软件。
本发明的有益效果：
1、本发明通过两次拓扑优化对框结构进行轻量化设计，初次拓扑优化确定加筋位置及壁板厚度，通过CAD软件重构模型再次进行拓扑优化，二次拓扑优化确定筋条截面形式，再次重构得到最终框结构模型。
2、通过二次拓扑优化得到可应用整体机加工艺制造的轻量化框结构，对于直升机结构减重、提升直升机性能和提高设计效率有很大优势。
3、且相较于传统通过逆向设计得到的框结构，本发明的方法对设计人员要求所需经验更低，可大幅提高设计效率。并且通过二次拓扑优化得到的模型相较于单次拓扑优化在机加制造上有更高的可行性，在优化结构的基础上有效降低制造成本。
附图说明
图1为本发明的技术方案流程图；
图2为本发明实施例的初始框毛坯模型示意图；
图3为本发明实施例的初次拓扑优化结果示意图；
图4为本发明实施例的初次拓扑优化结果重构数模示意图；
图5为本发明实施例的二次拓扑优化结果示意图；
图6为本发明实施例的最终框结构数模示意图。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以互相组合。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方向或位置关系为给予附图说是的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或与案件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含包括更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或以上。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义解释，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体化连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介简介连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
利用拓扑优化理论可以直接对框结构进行正向设计，通过两次拓扑优化可高效、准确的完成壁板加筋结构设计。首次拓扑优化得到的结构形式难以直接应用于机加生产中，但可根据其优化结果确定壁板加筋布置形式及不同框格壁板厚度选择，重构初次拓扑优化结果再进行二次拓扑优化，可确定筋条截面形式，进一步优化结构，减轻重量。
具体来说，一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，包括以下步骤：
步骤一，根据气动外形确定框结构的初始模型，包括框结构外表面和大开口区域；
步骤二，确定设计区域和非设计区域；
步骤三，根据危险工况定义拓扑优化的载荷工况，进行初次拓扑优化；
步骤四，对优化结果进行重构，将拓扑优化的结构重构为可机加的结构形式；
步骤五，再次确定设计区域和非设计区域，然后将步骤四的重构结果进行第二次拓扑优化；
步骤六，对第二次拓扑优化结果进行重构，得到可机加的结构形式，最终确定框结构的形式。
步骤二中，非设计区域包括框结构的一定厚度外形和一定厚度的大开口区域，即边界条件延伸一定厚度；非设计区域是框结构的其他区域。
步骤三中，危险工况包括最大推力载荷危险工况和最大垂向过载危险工况。
步骤三中，选择最大化刚度为优化目标函数，定义质量目标为优化约束，根据框结构实际尺寸建立厚度约束，针对多个载荷工况对框结构进行初次拓扑优化。
步骤四中，根据优化结果确定筋条的宽度和布置位置，并得到相邻筋条围成的不同隔框中壁板的厚度，以此重构出能够采用机加加工而成的初步框结构数模；
步骤五中，对初步框结构数模再次进行拓扑优化，将施加载荷和边界条件的区域以及壁板区域定义为非设计区域，其他结构部分定义为设计区域，载荷工况、目标函数、优化约束和几何限制与初次拓扑优化定义内容相同。
步骤六中，对优化后筋条截面形状再次重构，将曲面的筋条截面以能够起到相近载荷支撑的相交平面替代，得到能够采用机加加工而成的最终框结构数模。
拓扑优化采用Inspire软件，重构数模采用3D制图软件。
下面结合附图说明本发明另一个实例。
本发明整体技术方案流程如图1所示，下面以某型机尾部框结构为例对本发明作进一步说明。该框结构圆弧外表面定义为固定约束，结构包含两种危险工况，分别为最大推力载荷危险工况和最大垂向过载危险工况。技术方案如下：
第一步，根据气动外形，确定框结构的外形轮廓和初始框结构厚度；对于需要通过传动轴等设备的大开口区域提前开孔，在CATIA软件中得到优化前的初始框毛坯模型，如图2所示；
第二步，将初始框模型导入Inspire软件中,根据危险工况定义多个拓扑优化载荷工况，将定义载荷和边界条件的结构表面延伸一定厚度定义为非设计区域，其他部分的框结构定义为设计区域；第一次拓扑优化是为了确定筋条位置，将除筋条位置外其他区域改为非设计区；
第三步，选择最大化刚度为优化目标函数，定义质量目标为优化约束，根据实际框结构尺寸建立厚度约束，针对多个载荷工况对框结构进行初次拓扑优化,结果如图3所示；
第四步，将初次优化结果导入CATIA软件中，根据优化结果重构框结构数模，确定筋条布置的基本位置，并通过测量得到不同隔框中壁板的厚度,初次重构数模结果如图4所示；
第五步，将重构后的数模重新导入Inspire软件进行二次拓扑优化，将施加载荷和边界条件的区域以及壁板区域定义为非设计区域，其他结构部分定义为设计区域，载荷工况、目标函数、优化约束和几何限制与初次拓扑优化定义内容相同,二次拓扑优化结果如图5所示；第二次拓扑优化是优化筋条；
第六步，将二次拓扑优化结果再次导入CATIA软件中，根据优化后筋条截面形状，再次重构模型得到最终框结构数模，结果如图6所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，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。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据气动外形确定框结构的初始模型，包括框结构外表面和大开口区域；
步骤二，确定设计区域和非设计区域；
步骤三，根据危险工况定义拓扑优化的载荷工况，进行初次拓扑优化；
步骤四，对优化结果进行重构，将拓扑优化的结构重构为可机加的结构形式；
步骤五，再次确定设计区域和非设计区域，然后将步骤四的重构结果进行第二次拓扑优化；
步骤六，对第二次拓扑优化结果进行重构，得到可机加的结构形式，最终确定框结构的形式。
2.根据权利要求1所述的一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，其特征在于，步骤二中，非设计区域包括框结构的一定厚度外形和一定厚度的大开口区域，即边界条件延伸一定厚度；非设计区域是框结构的其他区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，其特征在于，步骤三中，危险工况包括最大推力载荷危险工况和最大垂向过载危险工况。
4.根据权利要求1所述的一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，其特征在于，步骤三中，选择最大化刚度为优化目标函数，定义质量目标为优化约束，根据框结构实际尺寸建立厚度约束，针对多个载荷工况对框结构进行初次拓扑优化。
5.根据权利要求1所述的一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，其特征在于，步骤四中，根据优化结果确定筋条的宽度和布置位置，并得到相邻筋条围成的不同隔框中壁板的厚度，以此重构出能够采用机加加工而成的初步框结构数模。
6.根据权利要求1所述的一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，其特征在于，步骤五中，对初步框结构数模再次进行拓扑优化，将施加载荷和边界条件的区域以及壁板区域定义为非设计区域，其他结构部分定义为设计区域，载荷工况、目标函数、优化约束和几何限制与初次拓扑优化定义内容相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，其特征在于，步骤六中，对优化后筋条截面形状再次重构，将曲面的筋条截面以能够起到相近载荷支撑的相交平面替代，得到能够采用机加加工而成的最终框结构数模。
8.根据权利要求1所述的一种基于二次拓扑优化的框结构加筋设计方法，其特征在于，拓扑优化采用Inspire软件，重构数模采用3D制图软件。
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