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精益研发方法学

基于ANSYS与TOSCA联合仿真下的发动机支架轻量化设计

发表时间:2012/05/07 来源:安世亚太   作者:龙凯  
关键字:ANSYS  TOSCA  轻量化设计  变密度法  拓扑优化  
本文基于ANSYS平台建立了某发动机支架总成整体结构的有限元模型,在此基础上,运用等效刚度原则得到支架局部有限元模型并得到不同工况下的位移分布结果。为实现某航空发动机支架的轻量化设计,基于TOSCA软件建立拓扑优化模型,设置过滤半径消除拓扑优化中的数值不稳定性问题,设置平面对称性与一致性约束改善优化结果的可加工性。通过优化前后计算结果对比分析,说明基于变密度法的拓扑优化技术能有效进行支架优化设计,从而避免了传统结构设计的盲目性。

1 前言

 

    自Bendsoe和Kikuchi首次提出连续体结构拓扑优化概念和基于均匀化理论的拓扑优化方法-均匀化法以来,连续体结构拓扑优化方法被公认为结构优化研究领域的热点之一。目前,随着结构拓扑优化理论研究的逐步深入,以及一些商品化软件拓扑优化功能的实现,拓扑优化的应用研究也逐步展开。在对结构优化设计要求较高和对产品重量要求苛刻的行业如微机电系统、车辆和发动机等行业,拓扑优化技术发挥了巨大的作用并体现出强大优势。

 

    本文以某航空发动机支架为研究对象,在多工况结构分析的基础上,基于TOSCA软件建立了拓扑优化模型,设置了过滤半径和各类制造加工约束,得到清晰且满足工程约束性要求的拓扑优化结果。通过优化前后结构分析结果对比,证明了单元变密度拓扑优化方法在支架结构优化设计上的可行性和有效性。

 

2 航空发动机支架多工况结构分析

 

    某航空发动机支架总成结构由起悬挂作用的空间桁架和支架主体组成,其中支架主体结构由两根纵向工字粱和四根板状横梁组成。根据结构特点,支架主体结构采用实体单元离散,桁架结构采用空间杆单元模拟,得到的整体有限元模型如图1所示,模型共包括189410个节点,148536个六面体实体单元,12个杆单元。由于通常情况优化迭代需进行多次结构分析迭代至收敛,若采用全模型进行优化分析,则将导致分析计算量大的困难。鉴于支架主体结构的重复性特点,在分析与优化建模中采用如图2所示的1/4局部结构,在该模型结构分析中,将桁架结构根据等效刚度的原则简化为弹簧单元,整体分析得到的位移值施加到分离体的连接面上,选取的结构和边界条件采用各横梁中的相对较恶劣情况。

图1 支架总成有限元模型示意图

图2 支架局部结构示意图

 

    航空发动机在实际工作状况产生的冲力反作用于支架上,反作用力范围为图2所示垂直向上与y向夹角0~8度范围内,这里极限工况一为作用力夹角为0度,极限工况二为作用力夹角为八度,轴承座载荷分布为在120度范围内余弦函数形式。两种不同工况下的位移分布结果如图3所示。

 

图3 不同工况下的位移分布结果

 

3 航空发动机支架拓扑优化设计

 

    3.1 单元变密度法拓扑优化理论与模型建立

 

    在常见的变密度法拓扑优化理论中,通常以单元相对密度ρi为设计变量,材料弹性模量与密度变量之间满足假设的函数关系,常见的插值模型有固体各向同性惩罚微结构模型(solid isotropic microstructures with penalization, SIMP)和材料属性的有理近似模型(rational approximation of material properties, RAMP),两种模型均通过增大惩罚因子数值对中间密度值进行惩罚,使之向0-1状况靠近,从而减少了中间材料的出现。以SIMP插值模型为例,弹性模量表达式为

 

式中p是弹性模量惩罚因子,取值通常大于等于1。