專欄 l 拓撲優(yōu)化技術(shù)在航天航空結(jié)構(gòu)增材制造設(shè)計中的應(yīng)用案例

魔猴君  行業(yè)資訊   1794天前

在航天航空領(lǐng)域，復(fù)雜多變的天氣對飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和制造等提出了更高的要求。迫切需要通過制造技術(shù)的創(chuàng)新實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化、結(jié)構(gòu)一體化以及提高產(chǎn)品生命周期性能的制造技術(shù)。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗稱3D打印，顛覆了傳統(tǒng)制造技術(shù)，可以精密地制造出復(fù)雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件”自由制造”。而且相比傳統(tǒng)制造業(yè)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，增材制造的優(yōu)勢也越明顯。

無疑，無論是實現(xiàn)輕量化、結(jié)構(gòu)一體化還是以提高產(chǎn)品生命周期性能為目標(biāo)，設(shè)計都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本期專欄將通過安世亞太仿真專家通過案例展示如何以產(chǎn)品性能驅(qū)動為設(shè)計導(dǎo)向，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化。

本案例展示了拓撲優(yōu)化在開放性設(shè)計中的分析流程及方法，主要工作可總結(jié)為三點：

1）采用拓撲優(yōu)化方法得到仿生形態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，以此作為概念構(gòu)型；

2）基于拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進行幾何重構(gòu)，以此作為輕量化設(shè)計的初始模型；

3）結(jié)合有限元分析對上述重構(gòu)后的幾何體進行迭代修改，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

 加快設(shè)計與驗證的循環(huán)

大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛，同時一些結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的形狀或特殊性。傳統(tǒng)制造方法無法滿足航空企業(yè)對新型號的快速低成本研制的需求。而增材制造技術(shù)可以制造超大、超厚、復(fù)雜型腔等特殊結(jié)構(gòu)。

因此，增材制造技術(shù)不僅可以滿足航空結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要求，還可以降低生產(chǎn)成本并完成定制化的快速生產(chǎn)。增材制造技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)計革命，徹底解放了設(shè)計工程師的思維，實現(xiàn)了“所想即所見”。

采用增材制造技術(shù)，快速準(zhǔn)確地制造并驗證設(shè)計思想在飛機關(guān)鍵零部件的研制過程中已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。在原型制造上，例如風(fēng)洞模型，3D打印可以快速生產(chǎn)出模型，大大加快”設(shè)計-驗證”迭代循環(huán)。

本文列舉飛機控制面板的開放性設(shè)計案例用于說明拓撲優(yōu)化在增材制造設(shè)計中的分析應(yīng)用，在面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，仿真優(yōu)化是核心技術(shù)。

本案例先是基于拓撲優(yōu)化分析得到輕量化的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，再結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析實現(xiàn)輕量化設(shè)計，即拓撲優(yōu)化開始，遵循拓撲優(yōu)化-后拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計-詳細設(shè)計優(yōu)化-設(shè)計驗證的流程完成了飛機控制面的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，圖1是設(shè)計流程圖。

圖1 設(shè)計流程圖。來源：安世亞太

 設(shè)計對象及要求

飛機控制面板原設(shè)計如圖2所示，結(jié)構(gòu)蒙皮上側(cè)為不可設(shè)計域，以保持結(jié)構(gòu)外形完整性；結(jié)構(gòu)接頭為不可設(shè)計域，以確保裝配要求。結(jié)構(gòu)其余部位為可設(shè)計區(qū)域。

從左至右依次在接頭孔內(nèi)表面施加約束，接頭1約束X、Y方向位移，接頭2約束X、Y、Z方向位移，接頭3約束X、Z方向位移，接頭4約束X、Z方向位移，接頭5約束X、Z方向位移，接頭6約束X方向位移。結(jié)構(gòu)在蒙皮上側(cè)施加20000Pa的均布載荷，方向垂直于表面向下。

Peraglobal_圖2 飛機控制面板原設(shè)計方案。來源：安世亞太

材料為鋁合金，材料屬性見表1。在滿足性能的前提下，可選擇任意輕量化設(shè)計方法，包括但不限于：拓撲優(yōu)化、點陣結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)。

Peraglobal_form1表1 鋁合金性能。來源：安世亞太

  拓撲優(yōu)化設(shè)計

拓撲優(yōu)化基于已知的設(shè)計空間和工況條件以及設(shè)計約束，確定剛度最大、質(zhì)量最小的設(shè)計方案。它通過計算材料內(nèi)的最佳傳力路徑，最終獲得具有最佳材料分布的優(yōu)化結(jié)果。拓撲優(yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動的經(jīng)驗設(shè)計模式，實現(xiàn)了性能驅(qū)動設(shè)計模式。

在概念設(shè)計階段，可以打破設(shè)計工程師的思維局限，大大提高設(shè)計工程師的工作效率。首先對原結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，按照前述設(shè)計要求中的載荷進行加載，基于局部坐標(biāo)系定義各個連接部位的約束。

考慮到輕量化設(shè)計因素，所以材料選擇為鋁合金。目標(biāo)函數(shù)取剛度最大，也即應(yīng)變能最小。約束條件為體積分數(shù)小于10%，工藝約束考慮拔模Z向。

Peraglobal_3圖3 拓撲優(yōu)化分析結(jié)果。來源：安世亞太

從結(jié)果可以看出，通過拓撲優(yōu)化分析可以得到力的主要傳遞路徑，類似樹杈結(jié)構(gòu)?；谕負鋬?yōu)化得到的結(jié)構(gòu)形態(tài)，可以采用幾何重生的方法構(gòu)建幾何模型，以此作為輕量化設(shè)計的概念構(gòu)型。

概念構(gòu)型可以顯示最佳的材料下限分布，但不一定滿足力學(xué)性能要求，需要進一步分析驗證?；诖藰?gòu)型，結(jié)合有限元分析，設(shè)計工程師可進一步修改結(jié)構(gòu)形態(tài)，以得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

輕量化設(shè)計及驗證分析

根據(jù)拓撲優(yōu)化的分析結(jié)果，采用spaceclaim重生幾何體。結(jié)合有限元分析得到的應(yīng)力分布，對結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，這一步需要迭代修改幾何模型，即幾何修改-分析驗證-幾何修改。

如果條件允許，設(shè)計工程師可以建立參數(shù)化幾何模型，再結(jié)合參數(shù)優(yōu)化分析軟件如ANSYS optislang，可進行自動優(yōu)化分析。通過迭代修改幾何模型，得到的輕量化的樹杈結(jié)構(gòu)幾何模型如圖4所示，包括樹杈結(jié)構(gòu)、點陣孔、加強筋等幾何特征。

Peraglobal_4圖4 樹杈結(jié)構(gòu)幾何模型。來源：安世亞太

對上述幾何體采用高階四面體單元網(wǎng)格劃分，單元尺寸取為4mm，共劃分380864個單元。材料設(shè)置為鋁合金，求解分析設(shè)置中打開大變形選項，求解計算后，以下列出位移結(jié)構(gòu)和等效應(yīng)力結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

從圖5a)中可以看出，最大位移為25.087mm，發(fā)生在接近右上角的位置。該位置只有蒙皮，沒有樹杈和加強筋，所以位移較大。而中間連接位置樹杈結(jié)構(gòu)較多，因此剛度較大，所以位移變形很小。

Peraglobal_5圖5 位移及應(yīng)力結(jié)果。來源：安世亞太

從圖5b可以看出，最大應(yīng)力為445.29MPa，小于屈服強度450MPa，發(fā)生在固定連接位置。因為該位置為非設(shè)計區(qū)域，所以不能修改圓角或倒角。其他區(qū)域應(yīng)力水平較低，可以進一步實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

根據(jù)前述設(shè)計及分析結(jié)果，輕量化后的幾何體屬性列于下表2中。采用鋁合金材料，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為5.0327kg。在滿足力學(xué)性能要求的前提下，與原設(shè)計結(jié)構(gòu)38.15kg相比，減重86.8%。

Peraglobal_form2表2 優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計。來源：安世亞太

  總結(jié)

本文所列舉的案例設(shè)計是面向增材制造即3D打印的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，以性能驅(qū)動設(shè)計為導(dǎo)向，綜合采用了ANSYS Topology Opotimization和ANSYS Mechanical分析軟件，實現(xiàn)了滿足力學(xué)性能要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其幾何特征具有明顯的樹杈結(jié)構(gòu)形態(tài)。

基于飛機控制面結(jié)構(gòu)的給定設(shè)計空間、給定載荷約束條件和設(shè)計要求，對飛機控制面結(jié)構(gòu)進行了一體化輕量化設(shè)計，設(shè)計選用鋁合金材料，應(yīng)用正向設(shè)計流程，基于性能要求，從拓撲優(yōu)化開始，遵循拓撲優(yōu)化-后拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計-詳細設(shè)計優(yōu)化-設(shè)計驗證的流程完成了飛機控制面的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。

當(dāng)然，根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)完整性的定義要求即影響飛機安全使用和成本費用的機體結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱。因此，合理的結(jié)構(gòu)不僅要考慮強度和剛度，還需要考慮疲勞特性、損傷容限等因素。

來源：3D科學(xué)谷