增材制造拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的靜力分析與驗證

來源：民用飛機設(shè)計與應(yīng)用

在民用飛機領(lǐng)域，增材制造技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，其產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性備受關(guān)注�！对霾闹圃焱負鋬�(yōu)化結(jié)構(gòu)的靜力分析與驗證》一文以民用飛機艙門導(dǎo)向輪槽零件為研究對象，圍繞該零件的拓撲優(yōu)化設(shè)計、靜力分析與驗證展開研究，為增材制造在民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用提供重要參考。

思維導(dǎo)圖

研究背景：增材制造技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)
隨著增材制造技術(shù)在民用飛機領(lǐng)域的應(yīng)用進程不斷推進，增材制造產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性受到廣泛的關(guān)注，且增材制造全流程各環(huán)節(jié)均影響結(jié)構(gòu)性能。已有研究涉及增材制造的多個方面，如齊世文等研究了成形方式對鋁合金結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，陳龍輝等開展了增材制造驗證方法的研究。本文聚焦于經(jīng)過拓撲優(yōu)化的民用飛機登機門導(dǎo)向輪槽零件，采用鋪粉式選區(qū)激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)和Ti-6Al-4V鈦合金材料，進行有限元分析并制定靜力驗證試驗方案。

導(dǎo)向輪槽結(jié)構(gòu)：設(shè)計、載荷與優(yōu)化
結(jié)構(gòu)與載荷工況
導(dǎo)向輪槽零件通過四個螺栓安裝在門框上，在艙門提升時起導(dǎo)向作用，并承受開門、關(guān)門過程中密封件回彈力引起的滾輪支反力。主要的載荷工況是兩種故障情況下的載荷工況，包括止動塊破損工況和負壓工況，止動塊破損工況載荷為6.44KN，負壓工況載荷為4.19kN，傳遞載荷的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向軸上的滾輪。

拓撲優(yōu)化設(shè)計
增材制造工藝為零件設(shè)計帶來更多可能，零件拓撲優(yōu)化流程涵蓋零件設(shè)計區(qū)域定義、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計、幾何重構(gòu)和結(jié)構(gòu)驗證四個環(huán)節(jié)。文章按此流程，選用Ti-6Al-4V鈦合金材料，綜合考慮兩種載荷工況，借助Inspire拓撲優(yōu)化軟件開展導(dǎo)向輪槽的拓撲優(yōu)化工作。以結(jié)構(gòu)剛度為約束條件，體積最小化為優(yōu)化目標，定義設(shè)計區(qū)域（圖2(a)），得到拓撲優(yōu)化結(jié)果（圖2(b)），展示了主要傳力路徑。之后利用CATIA建模軟件進行幾何重構(gòu)，獲得最終的導(dǎo)向輪槽零件結(jié)構(gòu)（圖3）。

（a）設(shè)計區(qū)域（褐色）

（b）拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖2拓撲優(yōu)化模型及結(jié)果

（a）立體圖

（b）主視圖

圖3 拓撲優(yōu)化后的導(dǎo)向輪槽結(jié)構(gòu)

有限元仿真分析：模擬零件力學(xué)性能
有限元建模方案
利用ABAQUS分析軟件，根據(jù)導(dǎo)向輪槽的兩種載荷工況建立有限元分析模型。由于零件采用不規(guī)則拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，模型選用適應(yīng)性強的二階四面體網(wǎng)格單元，總數(shù)為336653（圖4）。通過建立與導(dǎo)向軸尺寸一致的圓柱結(jié)構(gòu)模擬加載條件（圖5），將螺栓孔周圍節(jié)點與參考點建立Coupling約束固定模型（圖6），并建立底板結(jié)構(gòu)模擬周圍結(jié)構(gòu)的支撐作用，底板與導(dǎo)向輪槽建立接觸屬性。

圖4 導(dǎo)向輪槽有限元模型

圖5 加載示意圖

圖6 螺栓孔約束示意圖

有限元分析結(jié)果
經(jīng)過有限元分析，得到負壓工況和止動塊破損工況下的Mises應(yīng)力云圖（圖7、圖8），可知兩種工況下應(yīng)力最大位置在螺栓孔附近的R區(qū)，且均未超鈦合金材料許用強度，拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)區(qū)域在止動塊破損工況下應(yīng)力水平相對較高。同時得到位移云圖（圖9、圖10），顯示結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在加載位置附近，兩種工況下變形均較小，整體剛度較好。

圖7 負壓工況下的有限元模型Mises應(yīng)力云圖

圖8 止動塊破損工況下的有限元模型Mises應(yīng)力云圖

圖9 負壓工況下的有限元模型位移云圖

圖10止動塊破損工況下的有限元模型位移云圖

靜力試驗設(shè)計：驗證零件實際性能
試驗設(shè)計要點
選擇止動塊破損工況的載荷作為試驗載荷，因其應(yīng)力較大且對拓撲優(yōu)化區(qū)域強度考核明顯。試驗采用鋼質(zhì)平板底座和圓柱加載頭模擬實際工況，底座通過螺栓與試驗件連接，加載頭幾何外形與實際滾輪一致（圖11），液壓作動器通過加載頭加載（圖12）。

圖11 試驗件安裝示意圖

圖12 水平加載的試驗臺

測量方案
應(yīng)變片布置4個單向應(yīng)變片（圖13），對于應(yīng)變片無法粘貼的部位，采用光纖光柵應(yīng)變測量方法，布置4個光柵（圖14）。通過對長250mm、寬80mm、厚3mm的鋁板進行3次加載試驗，標定光纖光柵應(yīng)變測量工具，確定修正系數(shù)為1.77。

圖13 應(yīng)變片布置位置（4個單向應(yīng)變片）

圖14 光纖光柵布置位置（共計4個光柵）

試驗結(jié)果與結(jié)論：驗證模型與零件性能
試驗結(jié)果分析
靜力試驗的載荷-應(yīng)變曲線（圖16、圖17）表明，導(dǎo)向輪槽零件在試驗載荷加載過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，應(yīng)變隨載荷增加呈線性增長。試驗測得應(yīng)變分布趨勢與有限元模型分析結(jié)果一致（圖18），除應(yīng)變小于100μStrain的位置外，有限元分析應(yīng)變誤差最大值為13%。

圖16 靜力試驗應(yīng)變片的載荷-應(yīng)變曲線

圖17 靜力試驗光柵的載荷-應(yīng)變曲線

圖18 試驗與有限元分析結(jié)果對比

研究結(jié)論
拓撲優(yōu)化設(shè)計的導(dǎo)向輪槽零件能滿足承載要求，有限元模型對靜力試驗?zāi)�擬具有合理性，為增材制造在民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用提供了實踐依據(jù)和技術(shù)支持。

作者信息
王倩倩* 吳磊 楊釩 柯金霖（上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210）

論文信息
引用格式：
王倩倩,吳磊,楊釩,等.增材制造拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的靜力分析與驗證[J].民用飛機設(shè)計與研究,2024(4):19-24.
DOI: 10.19416/j.cnki.1674-9804.2024.04.004