OptiStruct拓扑优化在飞机零部件叠层制造中的应用

    

    行业：航空航天

    挑战：如何降低零部件的重量

    Altair 解决方案：利用 OptiStruct 进行拓扑优化

    优点：节省了 64%的材料 ；减少应力的同时提升强度 ； 大幅度降低成本

    背景介绍 

    金属的叠层制造 （Additive Layer Manufacturing, ALM）是在飞机结构研发早期 阶段使用的一种零件加工的新型技术。ALM的优势体现在生产部件的设计灵活性、较 低的材料浪费、低生产成本等，尤其针对那些难以加工的硬质材料。

    设计灵活性使得ALM成为拓扑优化的完美应用。在应用时，拓扑优化的形状可以 被保持，最终的质量和结构属性也更加接近那些优化得到的形状。

    EADS创新中心在TSB的资助下，与工业界和学术界共同合作进行AVLAM项目的 开发，来探索能否为航空航天业制造出优化的ALM零件，达到技术和商业的可行性。 作为试验，他们使用了HyperWorks的拓扑优化工具OptiStruct软件，来为空客A320的 零件进行优化，进而推广应用于其它的航空结构。

                                                                                 图 1：空客A320 原机舱铰链支架（后）优化设计ALM制造后形状（前）   

    挑战 

    ALM 是一种新兴的制造技术，它基于相对灵活的设计约束限制，通过优化设计达 到显著降低零件重量的目标。

    ALM 制造的成本独立于零件的复杂度，所以这是一个良性循环，即通过优化设计 节省了零件的材料用量，从而降低成本。 

    此项目的目标是使用 ALM 提供的设计自由度来论证潜在的材料重量节省能力，并 且保持与原零件相同的性能。    

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    “OptiStruct 使得我们可以在 ALM 过程中实现减重，实现效益最大化!”  

                                                                                                              Jon Meyer  

                                                                                                               EADS Innovation Works                                                                                                               

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    解决方案

    EADS创新中心实施优化策略，以尽可能少的材料生产一个零件（例如最轻重量）。他们采用OptiStruct进行拓扑优化， 其中包括以下两个设计过程： 

    第一个设计周期 

    在CATIA V5 中进行初始设计并在选定的条件下，进行了鲁棒性测试。在对结构进行改进时使用HyperWorks的 HyperMorph功能对其CAE模型进行新的约束和新的网格变形，再使用OptiStruct对其进行了形状和尺寸的优化。在这个阶段， 零件仅重 310g. 

    第二个设计周期 

    基于第一个设计周期的结果，施加新的各种约束，重复优化的过程。结果使当前的零件在反复优化后比第一个设计阶段 中得到的仅仅重 16g，总重量为 326g。 

   

                                                                                 图 2：优化设计周期

                                                                                 图 3：原铰链的FEA模型

                                                                                 图 4：优化后的铰链FEA模型                                                                     

    结论 

    OptiStruct 独特的拓扑优化技术进一步证实了，对 ALM 制造的小尺寸飞机零部件使用优化技术可以节省可观的材料。 优化后得到的零件质量只有 326g，比起原零件的质量 918g，足足减少了 64%。

     优化设计结果保留了相同的刚度特性和螺栓载荷，零件上的应力减小了，强度却得到了提升。 

    这样的结果表明了一个强大的商业案例，就是一个飞机中成千上万的小尺寸 ALM 零件都可以被优化减重。我们可以充 分利用这一新技术和工艺制造的优势，从而实现航空航天工业领域产品减重、优化设计及降低成本等目标。   

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