OptiStruct帮助提高商用飞机市场竞争力

技术支持

2019年10月30日 17:08

Altair 帮助空客 A380 起飞

行业：航空航天

挑战：在民用航空工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个非常突出的问题，传统的飞机设计思路已经无法满足这种需求，这需要将先进的计算机优化方法集成到全部部件的设计过程中。

Altair 解决方案：利用OptiStruct进行机翼前缘肋的拓扑优化、尺寸优化和拓扑优化

优点：整个襟翼部分的重量减轻了 44% ；所有 13 根肋的设计方案在七个星期内递交，保证了设计进度；A380 每英里每座的运行成本为 2.5 美分，比 B747 降低 20%

背景介绍

Altair公司的拓扑优化技术很早以前就已经在汽车行业获得了非常成功的应用，而该技术在2003年的空中客车A380——世界上最大的飞机设计中才展现出其在飞机部件设计中的强大力量。这种延误的主要原因可以归结为：飞机部件的大尺寸以及飞机设计中非常复杂的边界和载荷条件。同时，飞机部件主要涉及稳定性设计，而以应变能为基础的拓扑优化技术缺少处理一些屈曲问题的能力。而拓扑优化与尺寸和形状优化的结合使用则能起到非常好的效果。

这个项目是由Altair公司、Airbus公司和BAESYSTEMS公司三方技术人员共同应用OptiStruct拓扑优化方法设计的第一个航空部件。这个项目因为其在减重方面达到的效果及其革命性的技术创新获得了2003年度空中客车公司设立的技术创新设计奖。该项目的目标是应用AltairOptiStruct为Airbus A380——世界上最大的飞机设计一组最优的机翼前缘肋。

最初的设计方案类似于一个坚硬的剪切板，该方案超出了要求极其严格的设计重量标准。于是，应用拓扑、尺寸、形状优化工具设计并优化一根机翼上13个肋板的工作项目就此产生。这个项目的进度如此紧张以至于需要在一个星期内完成这13个肋板的优化设计方案。整个工作小组包括AirbusUK结构优化小组和A380的机翼前缘设计小组的工程师，还有来自Altair和BAE SYSTEMS的工程师们。这个工作项目产生了一系列不同结构的肋板，如图1 所示，它们达到了重量的设计目标并满足了优化设计中所有的应力和屈曲标准。在2003年6月，该项设计方案已经通过各种试验测试，为每一架A380飞机带来的总体减重达到500kg。

挑战

在民用航空工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个非常突出的问题，传统的飞机设计思路已经无法满足这种需求，这需要将先进的计算机优化方法集成到全部部件的设计过程中。在2003年，空中客车公司的供应商BAE SYSTEMS首先应用Altair优化工具——OptiStruct来设计更轻巧更有效的航空部件。

首批设计的部件包括机翼前缘肋、主翼盒肋、不同类型的机翼后缘支架以及机身门档和机身门交叉肋板。对于这些部件的优化设计，在很大程度上要考虑到对屈服性能的要求，同时还要考虑应力和刚度方面的要求。

解决方案

机翼前缘肋的拓扑优化

对于这个肋板的拓扑优化，首要问题就是如何使肋板符合周围的结构（机翼前缘的蒙皮，主翼盒的前杆及悬垂蒙皮），以及如何最好地模拟机翼前缘肋内部的空气压力载荷。

最终得到采用的优化方案采取了对每一根肋单独进行优化的方式，这样获得了非常好的结果。但是拓扑优化还是对肋及其相连凸缘的刚度的敏感度很高。因此，虽然这个问题采用传统的拓扑优化方法，即将总体的变形能作为目标函数，但是这里的总体应变能不仅包括可设计区——即肋板的能量，还包括通常被认为是不可设计区的肋的凸缘部位的能量。

机翼前缘肋的尺寸优化和形状优化

根据拓扑优化的结果，可以确定一个拥有最佳载荷路径的设计方案。将结果中的材料高密度区域作为结构，而将材料低密度的区域用孔来表示，这就使拓扑优化的设计结果接近于桁架结构。

A380的设计者们继续合作，开发出一整套桁架和剪切板混合的设计方案。在桁架结构的中央增加了竖直的硬板，从而为单面加工的肋板生成T型的截面并为双面加工的肋板生成十字型的截面。根据这些方案建立了有限元模型，并以此为初始设计进行了尺寸优化和形状优化，在这些优化中同时考虑了应力和屈曲约束。