基于HYPERWORKS的水密框腹板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

賈偉

摘要：為降低結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)效率，本文以某型水上飛機(jī)的水密框?yàn)閷ο螅C合強(qiáng)度、穩(wěn)定性、加工等方面的要求，對腹板尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到減重的目的?；贏ltair公司的Hyperworks平臺，建立有限元模型，運(yùn)用Optistruct對腹板尺寸優(yōu)化，形成更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，達(dá)到水密框腹板在保證功能的前提下重量較輕的目的。

關(guān)鍵詞：水上飛機(jī)；水密框；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；減重

1 概述

某型水上飛機(jī)的水密框帶有艙門結(jié)構(gòu)，且需考慮水密的功能要求，在設(shè)計(jì)之初，僅考慮腹板使用一體化機(jī)加的方案，受限于機(jī)加工藝設(shè)備能力，結(jié)構(gòu)裕度較大，存在明顯的減重空間。本文通過Hyperworks軟件，在腹板結(jié)構(gòu)尺寸滿足穩(wěn)定性計(jì)算的要求下，通過有限元分析計(jì)算，將結(jié)構(gòu)中腹板和立筋的厚度優(yōu)化，達(dá)到結(jié)構(gòu)減重的目的。

2 結(jié)構(gòu)簡介

水密框是機(jī)加和鈑金組合框，框腹板上的橫縱筋條對腹板提供支撐。在框腹板中間布置有開口，用于安裝通艙門。在框的頂部的接頭，與背鰭連接，傳遞背鰭接頭的載荷。在外框緣與蒙皮的連接。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

由于水密特性，水密框采用抗腐蝕性能較好的7050-T7454的鋁合金材料，該材料的壓縮彈性模量值為73.08MPa，剪切模量值為26.89MPa，泊松比值為0.33，材料密度值為2870kg/m3。

3 水密框有限元分析

水密框，除能夠維持外形并提供足夠的橫向剛度外，主要用來承受集中載荷、飛機(jī)底部傳來的載荷；同時(shí)還承受蒙皮對外框緣的剪流。由于承受集中力，在框平面內(nèi)存在彎矩，剪力以及軸力。在此將腹板簡化為殼元。

由于在嚴(yán)重工況下，腹板主要承受剪切載荷，立筋受壓縮載荷，通過剪切的穩(wěn)定性計(jì)算、立筋的穩(wěn)定性計(jì)算得出，現(xiàn)有設(shè)計(jì)下的框腹板剪切安全裕度較大（1.206），可通過減小厚度值實(shí)現(xiàn)減重的目的。

4 水密框腹板尺寸優(yōu)化

本文運(yùn)用Hyperworks軟件，首先利用Optistruct的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，對腹板質(zhì)量分布進(jìn)行優(yōu)化，在質(zhì)量分布小的區(qū)域調(diào)整立筋的布置；再利用Optistruct的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對腹板及立筋的厚度值進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)減重的目的。

腹板及立筋的尺寸優(yōu)化問題描述：設(shè)計(jì)目標(biāo)：最小結(jié)構(gòu)重量；設(shè)計(jì)約束：腹板剪切應(yīng)力小于67.1MPa；立筋壓縮應(yīng)力小于169.88MPa。尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)變量：腹板每個(gè)殼單元厚度。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，可由腹板的靜力分析模塊得到如圖2所示的應(yīng)力云圖，可以清晰的反應(yīng)腹板承載的情況，腹板在接頭下方區(qū)域的受力最為明顯。

運(yùn)用Optistruct得到腹板結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果圖，形象的反應(yīng)了腹板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的厚度分布。水密框在優(yōu)化前重量為45.75kg，優(yōu)化后為37.73kg，在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的情況下，重量減輕了18%，實(shí)現(xiàn)了最初減重的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]王寶忠等.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊第十冊[M].航空工業(yè)出版社.2000

[2]牛春勻（美）著.馮振宇，程小全譯，實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009.

（作者單位：中航通飛研究院有限公司）