增材制造拓扑优化结构的静力分析与验证

来源：民用飞机设计与应用

在民用飞机领域，增材制造技术的应用日益广泛，其产品稳定性和可靠性备受关注。《增材制造拓扑优化结构的静力分析与验证》一文以民用飞机舱门导向轮槽零件为研究对象，围绕该零件的拓扑优化设计、静力分析与验证展开研究，为增材制造在民用飞机结构设计中的应用提供重要参考。

思维导图

研究背景：增材制造技术的发展与挑战
随着增材制造技术在民用飞机领域的应用进程不断推进，增材制造产品的稳定性和可靠性受到广泛的关注，且增材制造全流程各环节均影响结构性能。已有研究涉及增材制造的多个方面，如齐世文等研究了成形方式对铝合金结构力学性能的影响，陈龙辉等开展了增材制造验证方法的研究。本文聚焦于经过拓扑优化的民用飞机登机门导向轮槽零件，采用铺粉式选区激光熔化（SLM）增材制造技术和Ti-6Al-4V钛合金材料，进行有限元分析并制定静力验证试验方案。

导向轮槽结构：设计、载荷与优化
结构与载荷工况
导向轮槽零件通过四个螺栓安装在门框上，在舱门提升时起导向作用，并承受开门、关门过程中密封件回弹力引起的滚轮支反力。主要的载荷工况是两种故障情况下的载荷工况，包括止动块破损工况和负压工况，止动块破损工况载荷为6.44KN，负压工况载荷为4.19kN，传递载荷的结构是导向轴上的滚轮。

拓扑优化设计
增材制造工艺为零件设计带来更多可能，零件拓扑优化流程涵盖零件设计区域定义、结构拓扑优化设计、几何重构和结构验证四个环节。文章按此流程，选用Ti-6Al-4V钛合金材料，综合考虑两种载荷工况，借助Inspire拓扑优化软件开展导向轮槽的拓扑优化工作。以结构刚度为约束条件，体积最小化为优化目标，定义设计区域（图2(a)），得到拓扑优化结果（图2(b)），展示了主要传力路径。之后利用CATIA建模软件进行几何重构，获得最终的导向轮槽零件结构（图3）。

（a）设计区域（褐色）

（b）拓扑优化结果

图2拓扑优化模型及结果

（a）立体图

（b）主视图

图3 拓扑优化后的导向轮槽结构

有限元仿真分析：模拟零件力学性能
有限元建模方案
利用ABAQUS分析软件，根据导向轮槽的两种载荷工况建立有限元分析模型。由于零件采用不规则拓扑优化结构，模型选用适应性强的二阶四面体网格单元，总数为336653（图4）。通过建立与导向轴尺寸一致的圆柱结构模拟加载条件（图5），将螺栓孔周围节点与参考点建立Coupling约束固定模型（图6），并建立底板结构模拟周围结构的支撑作用，底板与导向轮槽建立接触属性。

图4 导向轮槽有限元模型

图5 加载示意图

图6 螺栓孔约束示意图

有限元分析结果
经过有限元分析，得到负压工况和止动块破损工况下的Mises应力云图（图7、图8），可知两种工况下应力最大位置在螺栓孔附近的R区，且均未超钛合金材料许用强度，拓扑优化结构区域在止动块破损工况下应力水平相对较高。同时得到位移云图（图9、图10），显示结构最大位移出现在加载位置附近，两种工况下变形均较小，整体刚度较好。

图7 负压工况下的有限元模型Mises应力云图

图8 止动块破损工况下的有限元模型Mises应力云图

图9 负压工况下的有限元模型位移云图

图10止动块破损工况下的有限元模型位移云图

静力试验设计：验证零件实际性能
试验设计要点
选择止动块破损工况的载荷作为试验载荷，因其应力较大且对拓扑优化区域强度考核明显。试验采用钢质平板底座和圆柱加载头模拟实际工况，底座通过螺栓与试验件连接，加载头几何外形与实际滚轮一致（图11），液压作动器通过加载头加载（图12）。

图11 试验件安装示意图

图12 水平加载的试验台

测量方案
应变片布置4个单向应变片（图13），对于应变片无法粘贴的部位，采用光纤光栅应变测量方法，布置4个光栅（图14）。通过对长250mm、宽80mm、厚3mm的铝板进行3次加载试验，标定光纤光栅应变测量工具，确定修正系数为1.77。

图13 应变片布置位置（4个单向应变片）

图14 光纤光栅布置位置（共计4个光栅）

试验结果与结论：验证模型与零件性能
试验结果分析
静力试验的载荷-应变曲线（图16、图17）表明，导向轮槽零件在试验载荷加载过程中未出现结构失效，应变随载荷增加呈线性增长。试验测得应变分布趋势与有限元模型分析结果一致（图18），除应变小于100μStrain的位置外，有限元分析应变误差最大值为13%。

图16 静力试验应变片的载荷-应变曲线

图17 静力试验光栅的载荷-应变曲线

图18 试验与有限元分析结果对比

研究结论
拓扑优化设计的导向轮槽零件能满足承载要求，有限元模型对静力试验模拟具有合理性，为增材制造在民用飞机结构设计中的应用提供了实践依据和技术支持。

作者信息
王倩倩* 吴磊 杨钒 柯金霖（上海飞机设计研究院，上海 201210）

论文信息
引用格式：
王倩倩,吴磊,杨钒,等.增材制造拓扑优化结构的静力分析与验证[J].民用飞机设计与研究,2024(4):19-24.
DOI: 10.19416/j.cnki.1674-9804.2024.04.004