基于 solidThinking Inspire 的主起落架下撑杆的优化设计

摘 要：利用软件 solidThinking Inspire 对主起落架下撑杆进行了拓扑优化分析。利用软件进行了计算分析，最终得到一个分析结果。对其计算结果进行分析处理，得到一个新的下撑杆结构数模。最后，在 solidThinking Inspire 中进行静力分析，通过多次迭代，确定了在满足强度及刚度要求的条件下得到最佳结构，将零件重量得到最大限度的减轻。

1 概述

结构优化作为现代结构设计方法，广泛用于航空、航天、船舶等各个领域。结构拓扑优化又称结构布局优化，是一种根据载荷、约束及优化目标寻求结构材料最佳分配的优化方法。 其最大的优点是能在研究对象的外在形式未定的情况下，根据已知边界条件和载荷条件确定比较合理的结构形式，既能用于全新结构的概念设计，又能用于已有结构的改进设计。通过改进结构的拓扑形式，大大提高结构的性能，或者减轻结构的重量。拓扑优化按照研究的结构对象可分为离散体结构拓扑优化（如桁架、刚架等骨架结构及它们的组合）和连续体结构拓扑优化（如二维板壳、三维实体）两大类。连续体结构拓扑优化已在许多工程领域得到应用，如用于导弹结构和飞机结构的设计上。本文利用 solidThinking Inspire 软件对主起落架下撑杆零件进行了优化分析，对现有结构进行改进设计，并最大化的对重量进行减轻。

2 主起落架下撑杆的拓扑优化设计

某飞机的主起落架下撑杆在起落架在放下时，承受主起落架对某一下撑杆零件进行优化，零件如图 1 所示。

                                                         图 1 优化零件下撑杆

2.1 模型中倒角倒圆去除 

在 Inspire 软件中打开零件，在进行优化前，可利用软件的实体编辑模块中的几个合并，相交等功能对零件中已有倒圆，倒角进行去除

2.2 定义设计空间及非设计空间 

对零件受力进行分析，首先设置非设计空间，因此在图 2 中 1、2、3、处利用草图、推拉等功能建立非设计空间，并利用实体编辑中的相交模块与设计空间进行连接。

2.3 定义约束及载荷条件 

利用载荷/约束模块对零件进行加载约束。在图 2 中 1、2 处施加约束条件，在图 2 中 3 处施加载荷条件。

                                                      图 2 优化零件下撑杆

2.4 定义拓扑优化目标

按照目标要求，设置刚度的最大化目标，质量的优化目标，进行参数设置，利用solidThinking Inspire 进行分析计算，具体步骤如下：

a.选择优化图标组中的运行优化 图标。此时弹出运行优化窗口，优化参数设置如图 3 所示。 

b.将刚度最大化选择为优化目标。 

c.对于质量目标，请确保从下拉菜单中选中了设计空间总体积的 %，并且选中 30 ，表明生成的形状占设计空间总材料的30%。

d.在厚度约束中，将最小更改为 15.5mm。

                                                      图 3 3 优化零件参数设置

2.5 材料及属性 

主起落架材料在此选用 4130 钢。

3 优化结果

点击窗口下端的运行按钮来运行优化。此时弹出另一个优化运行状态窗口，其中含有显示此次运行状态的进度条。优化完成后优化结果如图 4、图 5 所示。

                                                               图 4 优化结果图示 1

                                                              图 5 优化结果图示 2

图 4 中显示的 1、2 处显示，在进行重新建立模型时，此三处可以开减轻孔，以减少零件的重量。图 5 中显示的 3 处可将零件此处的槽子开的尽量深入一些。优化结果可以为零件的重新建模提供参考。

 4 模型重建 

通过以上分析结果，对数模进行了优化设计，在图6 中 11 处，按照优化分析的结果，将零件厚度变窄，在零件 2、3 位置处，零件增加了减轻孔，在 4 位置处，将槽子开的更深，经过计算，零件强度上符合要求

                                                          图 6 优化后零件模型

 5 分析结果对比  

a.强度分析

通过对初始数模进行静力分析， 其最大应力在图中显示红色区域的应力最大，通过对前后两种静力分析结构进行对比，发现在优化后，最大应力区域的的应力基本都在 294Mpa，基本未改变，与初始数模一致，其它区域的应力均有所增大，但均符合材料要求。应力云图见图 7 和 8。

                             图 7 初始数模静力分析                    图 8 优化后数模静力分析

b.变形位移分析

通过对初始数模进行静力分析， 其最大变形在图中显示黄色区域的变形最大，通过对前后两种静力分析结构进行对比，发现在优化后，最大变形区域的的变形量在 3.5mm 左右， 基本与初始数模一致，还是符合预期要求。变形图见图 9 和 10。

                              图 9 初始数模变形分析                   图 10 优化后数模变形分析

 6 结论 

通过采用 solidThinking Inspire 对主起落架下撑杆进行的拓扑优化设计，在此基础上 结合静强度分析进行详细结构设计，极大提高了设计效率，最终确定的结构能够充分利用材料，使结构轻量化。重量上原零件重量为 15.96kg，优化后重量为 13.63kg，减重 2.33kg。 通过此软件分析，在后续进行详细加载后，还有进一步优化空间，并且在选择上选择余度也较大。

  

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