基于solidThinking的中国商飞3D打印机翼扰流板结构优化设计

技术支持浏览：2425

行业：航空航天

挑战：载结合 3D 打印工艺如何实现轻量化设计并保证优化设计结果的工艺性及美观性。

Altair 解决方案：运用 Altair Inspire 进行拓扑优化设计，得到轻量化的设计结果；再运用 Altair Evolve 进行建模和渲染，得到可以直接 3D 打印制造的设计模型。

优点：提升设计效率，节约大量时间；外形创新最大程度利用了 3D 打印的制造优势；轻量化设计，有助于降低运营费用成本。

背景介绍

随着中国大飞机工业的进步和 3D 打印技术的逐渐成熟，中国商飞举办了一系列结构部件的3D打印化设计优化竞赛与预研活动。本次进行轻质化设计的是飞机机翼的扰流板，该零件是飞机机翼（包括喷气式飞机和滑翔机）上常用的一种减速装置。为了实现减重，与研究 3D 打印在机翼结构上应用的可行性的目标，本例做了创新的尝试并获得了第一届中国商飞 3D 打印结构优化设计大赛的二等奖。通过应用 Altair 公司的 Altair Inspire 对机翼扰流板进行优化及改进设计，将设计思路由原来的“先设计产品结构再校核产品性能”转变为“先确定产品性能，再通过拓扑优化手段得出产品最终结构”，为该扰流板的结构方案选型提供了依据。

挑战

首先，飞机设计中为降低后期的运营维护成本，就要求结构重量尽量轻以增加飞机整体的燃油经济性，但部件的结构刚强度仍需达到响应标准。

其次，在设计中需要考虑与现有接口的匹配，并要使用3D打印的加工方式。这一设计要求与现有的基于钣金和机加工的设计方案有很大的不同，也就意味着凭借经验来设计的可行性几乎没有。

如何实现机翼扰流板减重的同时，仍满足其机械接口、安装约束、刚度、强度等各项指标，甚至兼顾来自拓扑优化设计结果的工艺性及美观性？这些都是摆在设计工程师们面前的种种挑战。

“机翼扰流板通过 Altair Inspire 进行拓扑优化及强度仿真，设计符合扰流板的刚、强度要求，并实现减重 57.71%。”

裘旭东

系统工程师结构设计研究部

中国商飞上海飞机设计研究院

解决方案

运用 Altair Inspire 进行拓扑优化设计

众所周知，拓扑优化设计的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题，转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题，其目的是寻找承受单载荷或多载荷的物体最佳材料分配方案。市面上也有众多成熟的商业软件可供设计师们选择，Altair Inspire 因采用了 Altair 先进的 OptiStruct 优化求解器，同时界面友好易用，而备受设计工程师的青睐。

本次扰流板设计也选择了采用 Altair Inspire 这一设计工具。扰流板轻质化设计采用拓扑优化的方法。设置扰流板板面为铝合金、扰流板接头处为钛合金。设置扰流板蒙皮上侧施加 20000Pa 的均布载荷，施加面如图 1 中绿色部分所示，方向垂直于表面向下。对图 2 所示的 1 接头设置约束 X、Y 方向位移，2 接头设置约束 X、Y、Z 方向位移，3 接头设置约束 X、Z 方向位移，4 接头设置约束 X、Z 方向位移，5 接头设置约束 X、Z 方向位移，6 接头设置约束 X 方向位移，各接头位置如图 2 所示。设置扰流板蒙皮上侧、蒙皮下测以及接头处为不可优化部位。

图 1 扰流板施加载荷面

图 2 扰流板接头位置

对设置完初始参数的扰流板进行拓扑优化，计算出对于结构的受力情况的影响最小的部分，去除相应部分，得到数个拓扑优化方案并进行优选，如图 3 所示。

图 3 多个扰流板拓扑优化方案进行比较与优选

在确认扰流板的机械接口、力学性能、最小打印尺寸等要素后，优选出了比较合适的拓扑优化结果，利用 Altair Evolve 进行模型的建模和渲染。

图 4 优化设计后的结构外观

扰流板在优化前，质量为 38.7kg，其测量惯量如图 5 所示。经过拓扑优化后，扰流板的质量为 22.334Kg，拓扑优化后扰流板测量惯量如下图 6 所示。共减重 16.366kg，符合轻量化设计的要求。

图 5 拓扑优化前扰流板测量惯量

图 6 拓扑优化后扰流板测量惯量

扰流板通过 Altair Inspire 进行强度仿真。按照之前的标准，设置扰流板板面为铝合金材料，接头处为钛合金材料。对扰流板上蒙皮设置 20000Pa均布载荷，对接头各个部位设置约束。进行计算后得到，扰流板的最大变形量为 9.046mm，最小变形量为5.122 × 10−7mm，且最大变形区域主要分布在扰流板板面的周边，最大变形处位于扰流板面角落处，对接头处影响较小，符合扰流板的刚度要求。