结构优化和CAE加工仿真在航空构件设计中的应用

【类型】学位论文

【作者】瓦卡 

【关键词】 结构优化 拓扑优化 形状优化 加工仿真 切削仿真 非参数化优化

【摘要】随着结构优化程序的逐渐成熟以及高可靠性软件的开发，航空结构件设计在满足结构性能的条件下对减重的需求日益增加。对结构优化来说，关键是确定最可行的拓扑关系以构造给定重量下材料的最佳布局，因此，拓扑和形状优化对结构优化过程来说尤为重要，其中拓扑优化应用于概念设计和预设计阶段以确定初始布局设计，而形状优化应用于后期阶段优化的表面（边界）处理。提供结构优化功能的CAE加工仿真对获得成本降低的可行设计方案也变得必不可少。论文目的在于通过全新考虑加工因素的方法，促进结构优化领域的研究；开发应用拓扑优化、形状优化和CAE加工仿真工具，确定航空薄壁结构件的优化布局设计；重点集中于有效地开发这些工具以提高构件设计过程的总体效率，寻求结构经过优化的减轻重量的设计方案，确保构件最大刚度和结构性能；创新点在于通过应用集成设计和优化方法，在工作载荷不变的情况下改进现有构件设计。 采用目前可取得的数据，通过考虑主要装配结构内的接触元件和内置支撑情况，计算航空构件工作中和地面条件下的相关载荷，通过TOSCA批处理过程模式对ANSYS软件进行二次开发以执行非参数结构拓扑优化。优化循环中考虑加工约束如最小特征尺寸、对称等因素以产生更有效的可加工的设计布局。设计了数据简化、表面光顺和复合函数约束等方法从拓扑优化结果中提取CAD兼容特征。由于加工产生的应力导致薄壁结构易于变形、尺寸不稳定，为确定设计结构的可加工性，执行ANSYS切削仿真。以顺序耦合场分析确定初始残余应力，开发单元生死技术模拟切削过程。将基于可加工性的结果集成进设计过程，改进设计布局，并用ANSYS分析其在规定载荷和约束下的性能。通过非参数化形状优化来改善拓扑优化设计模型，将同类应力分布和改进边界的模型输入CATIA中开发最终设计布局。最终改进的设计方案结构返回ANSYS中分析评估，并与以前设计结构进行对比。研究中提出的设计和优化方法 ，可用于任何——特别是对减重和提高性能有迫切需求的——构件。论文总体可以视为以获得结构件优化布局为目的，对工程设计和加工仿真开发的一种扩展集成方法的研究。

【学位名称】博士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】范玉青

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