1 概述

       某型飞机舱门位于飞机尾部双曲面舱段的底部，需在空中设备作业时打开，因为空气动力及舱门机构的要求，需要舱门门体满足足够的刚度和轻量化设计。机加成形的舱门虽能满足所要求的强度、刚度等条件，但由于制造工艺复杂，制造成本高，制造周期长，使其成为影响整个舱门系统研制进度的原因之一。通过对钣金零件进行优化，使其能满足机加零件的刚度特性。

       Altair公司的OptiStruct软件作为一款面向产品设计、分析和优化的工具，提供了先进、全面的优化方法，目前已广泛应用于飞机结构设计中。常用的结构优化技术有拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、自由尺寸优化、形状优化和自由形状优化等技术。形貌优化是一种形状优化的高级形式，即在钣金件结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构重量的同时满足强度刚度等要求。形貌优化的特点是不删除材料，而在设计区域中根据节点的扰动生成加强筋。

       本文正是应用OptiStruct软件的形貌优化技术对钣金舱门进行优化，寻找加强筋的位置分布及形状，并将优化后的舱门刚度强度分析与机加成形舱门进行对比。

2 形貌优化设计流程

       形貌优化是在已有的钣金零件上寻找加强筋，使其刚度增加。OptiStruct软件进行形貌优化的流程为：

       （1）在CATIA中建立结构的几何模型；

       （2）将CATIA模型导入HyperMesh，并建立有限元模型，赋予相应的材料和属性；

       （3）对有限元模型设置载荷和边界条件，建立相应的载荷工况；

       （4）设置形貌优化参数，包括定义优化设计变量及设计空间（可设计区域）；定义用于评测目标函数和约束条件的响应；定义优化设计约束和目标。

       （5）运行Optistruct进行形貌优化分析。

       （6）验证结果。

       具体优化的流程如图1所示。

                                                                                                  图1 优化分析流程

3 舱门的形貌优化设计

       （1）对机加零件进行分析 

       舱门机加零件如图2所示，尺寸为700mm×350mm，重量为4.195Kg，其肋为田字分布，两侧的空余部分为与接头的连接区域。舱门底板厚度为3mm，肋板厚度为5mm。其材料为7050-T7451，材料属性为E=72000N/mm²，μ=0.33，ρ=2.8×10^-9Ton/mm³。对零件进行有限元建模，设定约束条件，增加载荷，建立相应的工况。图2的CAE模型中黄色部分为约束，载荷为沿蒙皮法向向外的均布载荷。应用OptiStruct进行有限元分析，并通过HyperView查看结果。

                                                                                  图2 舱门机加零件CAD及CAE模型

       由图3分析结果得出，舱门最大变形为0.907mm，最大应力为39.58MPa，满足刚度强度要求。但由于其处于飞机双曲面舱段，制造复杂。

                                                                                         图3 舱门机加零件分析结果

       （2）钣金零件形貌优化 

       将舱门设计为由内外蒙皮铆接而成的组合件，厚度均为1.5mm，材料均为2A12-O，在内蒙皮上寻找肋的凸起位置及形状。在CATIA建立CAD模型，并导入HyperMesh中，合理划分有限元网格。根据机加件形状及实际制造工艺，在内蒙皮上设置设计区域和非设计区域，赋予相应的材料属性，施加与3.1节中相同的约束、边界条件及载荷工况。如图4，其中黄色区域为内蒙皮寻求加强筋的设计区域，蓝色区域为内蒙皮非设计区域，绿色零件为外蒙皮。由图3可知，在舱门肋包围部位，应力和位移都很小，所以可将钣金内蒙皮设计区域寻求肋的包围部分挖空，其挖空大小根据装配的防差错设计由零件所处框位决定。

                                                                                                   图4 钣金零件的CAE模型

       进入HyperMesh中面板Analysis-optimization-topography，创建设计变量，设置优化参数，如图5。其中设计区域的网格大小为5，由minimum width定义为平均网格大小的1.5~2.5倍，设置最小宽度为10。拔模角度和拔模高度根据制造工艺及经验分别设置为60°和35。

                                                                                               图5 形貌优化设置参数

       创建位移和应变能的响应。根据图3的变形结果及实际要求，设置图6中节点位移的upper-bound为1；设置的优化目标函数为零件的应变能最小。

                                                                                                 图6 设置约束图

       进入Analysis-OptiStruct面板提交计算，当出现OPTIMIZATION HAS CONVERGED时，优化结束，通过HyperView查看结果文件。

       优化计算经过27步迭代完成，结果如图7所示。

                                                                                                图7 形貌优化结果

       （3）优化结果的读取与分析

       对图7的优化结构进行分析读取，结合实际制造工艺情况。建立优化后的CAD模型，如图8。将优化后模型导入HyperMesh，建立有限元模型，施加同3.1节相同的约束、边界条件和载荷工况，重新应用OptiStruct进行有限元分析，应用HyperView查看结果。结果文件如图9所示。

                                                                                            图8 优化后舱门CATIA模型

       由图9可以看出，优化后模型的最大变形为0.802mm，最大应力为62.8MPa，与机加件的计算结果相比，变形减小0.105mm即减小了11.6%，刚度得到了增强；应力增加22.22MPa，但远小于材料的极限应力。同时优化后模型重量为2.126Kg，重量减轻了49.3%，达到了增加刚度、减轻重量的优化目标。

                                                                                                        图9 优化后模型计算结果

4 结论

       本文应用OptiStruct软件中的形貌优化技术对钣金舱门进行了优化，得到了加强筋的位置分布及形状，优化结果不仅使舱门增加了刚度、减轻了重量，也使舱门的制造工艺方法大大简化，缩短了研制周期，节约了制造成本。结果表明，OptiStruct优化技术能够为工程设计人员提供结构概念性设计及详细设计方法，有助于提高工程设计人员的设计水平和工作效率。

5 参考文献

[1]张胜兰，郑冬黎，郝琪，李楚林等.《基于HyperWorks的结构优化设计技术》. 北京：机械工业出版社，2007.
[2]洪清泉，赵康，张攀.OptiStruct&HyperStudy理论基础和工程应用[M].北京：机械工业出版社，2013.
[3]牛春匀编.实用飞机结构设计[M].北京：国防工业出版社，1991.