航空發(fā)動機支架結構拓撲設計與分析

劉治呈

摘 要：為了提高航空發(fā)動機支架結構的設計質量，為發(fā)動機的正常工作提供穩(wěn)固的支撐，就需要對支架結構進行拓撲設計分析，進而不斷優(yōu)化支架結構。本文對拓撲優(yōu)化理論進行了一定的論述，在此基礎上，進一步討論了發(fā)動機支架的拓撲優(yōu)化，并對設計方案進行了對比分析，進而優(yōu)選最佳的設計方案，對于從事相關工作的技術人員具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：航空；發(fā)動機；支架結構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.004

1 前言

結構拓撲設計是對結構材料進行最佳分配的一種優(yōu)化方法，在規(guī)定的設計區(qū)域內，其通過對載荷、約束以及優(yōu)化目標等進行對比分析，進而實現(xiàn)結構優(yōu)化的目的。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，這就為結構拓撲優(yōu)化提供了設備支持，為其在航空航天、機械以及船舶等多個領域的廣泛應用提供了可靠保障。結構拓撲優(yōu)化的優(yōu)勢在于其能夠在結構形狀沒有確定的情況下，根據所提供的邊界條件和給定的載荷進而確定合理的結構形式，不僅能夠將其用于新產品的設計過程中，而且還能對原有產品進行優(yōu)化設計。為了提高航空發(fā)動機支架的設計質量，確保發(fā)動機的正常運行，對當前的支架結構進行拓撲優(yōu)化設計，進而優(yōu)選性能優(yōu)良的支架結構，從而為發(fā)動機提供穩(wěn)固的支撐。

2 拓撲優(yōu)化理論

（1）拓撲優(yōu)化變密度法。結構拓撲優(yōu)化的本質是在規(guī)定的涉及區(qū)域內尋求最優(yōu)材料分布的問題并進行求解。當前連續(xù)結構拓撲優(yōu)化方法中，比較常用的有均勻法、變密度法以及漸進結構優(yōu)化法等。本文將采用變密度法對航空發(fā)動機支架結構進行拓撲設計分析，通過引入一種假想的、密度值介于0～1之間的材料，進而將支架的連續(xù)結構體離散成為有限元的模型。在設計過程中，設計變量就是每個單元的密度值，進而能夠將支架拓撲結構優(yōu)化的問題轉變?yōu)閱卧牧系淖顑?yōu)分布問題，從而能夠降低設計難度，提高支架的拓撲優(yōu)化質量。

（2）拓撲優(yōu)化的設計流程。本文中的支架結構拓撲優(yōu)化是通過Nastran平臺進行的，其能夠大大提高拓撲優(yōu)化工作效率，并且能夠獲得良好的拓撲優(yōu)化結構。首先，要充分明確航空發(fā)動機支架的設計位置，借助三維UG軟件建立發(fā)動機與飛機機身相連接的幾何模型，由于以后的優(yōu)化設計是建立在該模型的基礎上，因此，要對該模型進行系統(tǒng)全面的檢查，確保其與實際情況相符；其次，采用Patran軟件對支架的結構模型進行前期的預處理，通過優(yōu)化面板對設計區(qū)域、目標函數以及約束條件等進行明確的定義，為更進一步的分析提供支持；最后，再對支架結構進行拓撲優(yōu)化迭代分析，尋找結構的最優(yōu)解，其整個拓撲優(yōu)化設計流程如下圖1所示。

3 發(fā)動機支架的拓撲優(yōu)化

（1）有限元模型的建立。通過建立有限元模型能夠對發(fā)動機支架進行科學合理的離散化，即對其進行網格劃分，這就為結構優(yōu)化分析提供良好的基礎。在保持發(fā)動機支架外形輪廓不變的前提下，通過對其進行充填處理，將其轉變?yōu)闄M梁結構。將航空發(fā)動機的橫梁結構作為拓撲優(yōu)化的初始結構進行對比分析，采用Patran軟件對其進行六面體網格劃分處理，進而建立相應的有限元模型。

（2）拓撲優(yōu)化定義和優(yōu)化結果顯示。在Patran軟件中利用優(yōu)化面板對所需要進行優(yōu)化的三要素進行科學合理的定義，即設計區(qū)域、目標函數以及約束條件。根據發(fā)動機支架在實際工作過程中所受到的外力大小，對其施加相同大小的載荷，在支架的重心位置處加以800N豎直方向載荷、720N水平方向載荷以及45N·m，同時，為了提高支架的穩(wěn)定性，還要在支架與飛機發(fā)動機安裝板的連接處施加一固定約束。嚴格按照以上所述的發(fā)動機支架工作情況建立相應的拓撲優(yōu)化模型，在Patran軟件的有限元分析過程中，設定的目標函數為結構的最小柔度，進而對規(guī)定區(qū)域內的每個單元格里的材料密度進行拓撲優(yōu)化分析。

（3）設計方案。通過采用變密度法就能得到支架結構的拓撲優(yōu)化結果-密度等值面分布圖，圖中應力較大位置處的單元密度相對較高，而應力較小位置處的單元密度相對較低。但是在實際應用的過程中，支架材料的密度無法做到連續(xù)變化，因此，需要對所得到的密度等值面分布圖進行一定的人工調整處理，進而能夠符合實際情況的要求。在支架的結構設計中，根據當前支架所采用的結構形式，對拓撲優(yōu)化結果進行一定的適應性調整，所得到的航空發(fā)動機支架設計方案如下圖2所示。

4 結語

總而言之，拓撲優(yōu)化是一種有效的結構概念設計方法，通過將其有效的運用于航空發(fā)動機支架結構的設計優(yōu)化過程中，能夠在一定程度上提高發(fā)動機支架的設計質量，進而為發(fā)動機支架的穩(wěn)定工作提供可靠保障。本文對拓撲優(yōu)化理論進行了一定的介紹，并將其與發(fā)動機支架結構的優(yōu)化設計進行結合，進而對當前的發(fā)動機支架結構進行了一定的優(yōu)化分析，能夠在一定程度上改善支架的受力情況，提高其穩(wěn)定性，為確保發(fā)動機正常工作提供牢固的支撐。

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