基于HyperWorks的活动窗骨架设计－汽车设计与制造资讯-造车网

摘要:本文论述了Altair HyperWorks软件RADIOSS求解器和OptiStruct优化技术在新涡桨飞机活动窗骨架结构设计中的应用。利用RADIOSS求解器对活动窗结构进行鸟撞分析，根据鸟撞分析结果得到鸟体与结构之间的接触力，以此作为结构优化的载荷工况；再利用OptiStruct优化技术对活动窗骨架结构进行结构分析与尺寸优化，使结构重量最轻。

0前言
　　在新涡桨飞机的研制中，活动窗骨架结构处于适航规章要求的鸟撞区域内，因此该结构应进行抗鸟撞设计。本文应用RADIOSS领先的非线性动力求解技术，对新涡桨飞机活动窗骨架结构进行鸟撞分析，通过分析得到计算接触力，然后用接触力和纯气密载荷作为设计载荷进行活动窗结构设计。根据这些载荷工况再采用OptiStruct求解器对活动窗骨架结构进行尺寸优化设计，使结构满足重量、强度、刚度要求，同时提高结构抗鸟撞能力，降低飞机研制风险。

1结构概述
　　新涡桨飞机两侧活动窗结构作为机组人员的应急出口，活动窗结构位置示意图见图1。活动窗由窗体、玻璃组件及运动机构等组成。窗体选用7050铝合金厚板整体机加，截面形状为加筋的“［”形，玻璃组件选用层合有机玻璃，密封带截面形状选用“双O型”，密封带、玻璃组件及窗体用螺栓直接相连,活动窗结构如图2所示。

2鸟体模型和活动窗结构模型
2.1鸟体模型
　　目前，采用耦合法进行鸟撞分析时，可选取鸟体模型包括Lagrange模型，Euler模型，ALE模型和SPH模型四种。本文采用SPH模型，SPH是一种无网格算法，是把物理流场用一定速度的集中质量点来描述，每个质量点作为该流场的插值点，问题的解通过这些质点的规则插值函数来得到，守恒方程用质点内力来表达，可以直观的模拟鸟体的抛洒现象。这种鸟体模型适宜处理大变形和大位移问题，且十分容易模拟由多种材料组分（如血、肉、骨骼等）构成的鸟体，且数值模拟计算特别稳定。
　　鸟体的形状选择两端为圆球的圆柱体，如图3所示,SPH鸟体粒子模型如图4所示，共计10564个节点，重量为1.8Kg。鸟体的圆柱体直径D由公式(1)来确定。

　　式中：D为圆柱体直径；
　　　　　m为理想鸟的质量；
　　　　　ρ为理想鸟体材料的平均密度。

　　采用RADIOSS粘性流体材料（hydrodynamics viscous fluid material）/MAT/LAW6模拟流体和气体，鸟体本构关系如下：

　　其中，C1为流体常数体积模量，为液体系数，为理想气体系数。

2.2活动窗结构有限元模型
　　根据活动窗结构设计方案建立有限元细节模型，进行鸟撞分析时所有结构件均采用六面体单元，用弹簧单元和固连接触方法模拟结构螺钉连接，弹簧单元一端与压板建立固连接触，另外一端与活动窗骨架建立固连接触关系，由于透明件采用压板式连接，给连接单元处施加2780N初始螺栓预紧力。模型共计99760个节点，73592个单元，有限元模型见图5。

2.3接触定义
　　使用RADIOSS里/INTER/TYPE7定义鸟体与结构及结构之间的接触关系，其中type7为通用的点面接触，面为主，点为从。鸟体与结构之间的接触如图6所示，红色节点集为鸟体模型，浅蓝色组件为玻璃组件。

3活动窗结构接触力分析
　　运用HpyerWorks软件RADIOSS求解器对新涡桨飞机活动窗结构初始设计方案进行抗鸟撞分析，从分析结果中获取鸟体与结构间的接触力，运用HyperGraph模块生成各撞击点接触力时间历程曲线，并对各接触力时间历程曲线进行滤波处理。
　　选取活动窗结构上5个点进行抗鸟撞分析，5个点具体位置如图7所示，鸟体速度为逆航向V＝138.9m/s。5个撞击点接触力时间历程曲线分别见图8～图12。

4优化问题数学模型
　　大多数结构优化都以有限元法为基础。无论采用那种优化方法都要求进行多次迭代，最终找到最佳的设计方案。
　　一般的优化问题用以下数学表达式表示
　　最小化：．．．．．．．．．．．．．．（１）
　　优化条件：
　　公式（1）中描述的是目标函数，和分别描述的是第j个约束响应和它的上边界，M为总约束数。为第i个设计变量，和分别描述的是它的下边界和上边界，N为总设计变量数。通常优化问题的设计变量包括：尺寸变量、形状变量等。目标函数和设计变量是以下响应的任何情况：结构件的体积或重量、柔度、固有频率、位移、应力等。

5活动窗骨架结构尺寸优化
5.1有限元模型
　　根据活动窗结构设计方案建立有限元细节模型，进行优化分析时活动窗骨架和压板结构简化为板壳单元，骨架接头和透明件简化为六面体单元，用CWELD单元模拟活动窗骨架和压板结构间的螺钉连接，用CGAP单元模拟压板、骨架与透明件间的接触，模型共计127375个节点，109788个单元，有限元模型见图13。

5.2载荷及边界条件
5.2.1 载荷工况
　　选取5个撞击点的接触力和纯气密共6种载荷情况对活动窗骨架结构进行尺寸优化。5个撞击点的接触力取自图8～图12，纯气密载荷为0.0802MPa，各载荷情况见表1。

5.2.2 边界条件
　　优化分析时，约束骨架连接接头处节点的x、y、z三个方向平动自由度。

5.3优化要素
5.3.1 优化设计变量
　　充分考虑加工工艺性及结构安装通畅等对活动窗骨架设置优化区域、优化变量，本此优化的设计变量包括骨架框的上下缘条、腹板、加强肋的厚度，变量总数为45个。

5.3.2 优化约束
　　活动窗骨架优化时采用应力和变形两种约束条件，具体要求如下：
　　a)应力约束
　　　纯气密载荷情况：σ<380MPa；
　　　各撞击点接触力载荷情况：σ<448MPa
　b)位移约束
　　　骨架对角相对位移小于4mm

5.3.3优化目标
　　满足静强度约束条件下，活动窗骨架结构重量最小。

5.4优化结果
　　在优化过程中，迭代10次满足了收敛性条件，在每次迭代中，目标函数值均有较大变化。优化后活动窗骨架重量为7.19kg，减重1.86kg, 减重百分比20.6%。

6结论
　　采用RADIOSS求解器对活动窗结构进行鸟撞分析，用OptiStruct优化技术对活动窗骨架进行优化，通过分析可知活动窗骨架结构有较大的减重潜力，优化结果可以供后续详细设计参考。优化后活动窗骨架重量为7.19kg，比优化前重量9.05减少1.86kg，减少20.6%。考虑到加工工艺性、活动窗机构可靠性、结构安装通畅等因素，还需要对局部结构进行详细设计和分析。

7参考文献
　　[1] 中国民用航空总局. CCAR-25-R3中国民用航空规章第25部[S]，1985
　　[2] HyperWorks Reference Guide
　　[3] 李为吉等编著.《飞行器结构优化设计》.国防工业出版社，2005
　　[4] 钱令希著.《工程结构优化设计》.水利水电出版社，1983

Design of Movable Window
Framework Based On HyperWorks
Chen Weiwei

Abstract: RADIOSS solver and the OptiStruct optimization technology, which are integrated in Altair HyperWorks, are used in the design of movable window structures for New Type Turboprop. Bird impact problem for the movable window structures is analyzed by RADIOSS. Using the contact force between the bird and the structure as the load case of structural analysis and sizing optimization. Finally size optimization is implemented by OptiStruct to get the lightest structure.
Key words: RADIOSS OptiStruct analysis of bird strike Sizing Optimization Movable Window Framework

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