solidThinking Inspire在飞机结构设计中的应用

    行业：航空航天

    挑战：如何应用拓扑优化技术快速实现最有设方案实现减重？

    Altair 解决方案：采用solidThinking Inspire软件中对过度接头在给定体积和应力约束条件下以总刚度最大化为目标进行了轻量化设计

    优点：得到的详细初步设计结构比原方案设计结构减重达50%，且新结构传力路线更加清晰，受力情况也有很大的改善，材料利用率明显提高

    背景介绍 

    在飞机结构设计中，方案设计阶段是根据设计要求形成粗略的基本概念，并草拟一个或多个能满足设计要求的初步方案，这个阶段虽然耗钱、耗时不多，但非常重要，具有全局性的中大影响，有时设计不好会发生大的颠覆，严重影响飞机的正常研制周期，尤其对于飞机结构起过渡作用的关键部件。在传统设计中设计师主要依靠经验知识来设计零部件的基本结构形式。而面对复杂结构或者结构形式完全未知的情况下，传统设计方法需要多次迭代设计才能得到满足设计要求的结构，但却不能保证结构形式的最优化和结构重量的最小化。随着计算机和数字化等科学技术的迅猛发展，结构优化设计技术得到迅猛发展，而且被广泛应用于复杂产品的设计中。   

    挑战 

    拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是结构方案设计阶段获得最优方案的最佳途径。因此，我们面临的挑战是如何应用拓扑优化技术实现最优设计方案，实现减重提升产品品质？   

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    solidThinking Inspire软件进行拓扑优化计算操作简单、效率高。新的模型有清晰的传力路径，其每个元素都可进行局部的尺寸设计，为后续的详细设计阶段尺寸优化奠定很好基础。

                                                                                                                              范林                                                                                                              

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    解决方案

    基于 solidThinking Inspire 平台对结构进行拓扑优化，先要在 solidThinking  Inspire 或 CATIA 等其他三维软件内建立三维模型。并在 solidThinking Inspire 内依据 实际工况施加力、位移等约束，定义优化变量、目标函数、约束函数，以及定义优化参数， 最后提交求解。通过有限元计算分析，发现初步过渡接头结构设计严重工况裕度较大，需进行优化设计减重。   

                                           初步设计模型和有限元分析结果

选用 solidThinking Inspire 软件进行过渡结构优化分析，优化模型和优化结果如图所示。拓扑优化结果较为理想，5h 内完成了 8 个工 况积分数分别为、5%、20%、30%的各种情况优化计算。solidThinking Inspire 软件进行 拓扑优化计算操作简单、效率较高。

                                                      拓扑优化模型及结果

对拓扑结果进行简单的分析后在CAD 内进行模型的初 步详细设计。新的模型有清晰的传力路径，其每个元素都可进行局部的尺寸 设计，为后续的详细设计阶段尺寸优化奠定很好基础。

                                              过渡接头结构初步详细设计模型

    结论 

    本文将基于拓扑优化的辅助设计方法应用到某型飞机的过渡接头优化设计中，利用 solidThinking Inspire 软件平台进行拓扑优化，solidThinking  Inspire 软件中得到的新型过渡接头结构较初步设计方案减重达 50%，且该结果为详细设计阶段尺寸优化奠定结实基础。本文说明了基于拓扑优化的辅助设计方法在飞行器结构设计中的应用价值和前景，特别是设计工程实际中遇到的新型未知结构时，本文方法具有巨大的优势。但需要注意的是，当根据拓扑优化结果抽象出几何实体时，对设计人员的工程经验要求 很高。    

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