航空发动机支架结构拓扑设计与分析

刘治呈

摘 要：为了提高航空发动机支架结构的设计质量，为发动机的正常工作提供稳固的支撑，就需要对支架结构进行拓扑设计分析，进而不断优化支架结构。本文对拓扑优化理论进行了一定的论述，在此基础上，进一步讨论了发动机支架的拓扑优化，并对设计方案进行了对比分析，进而优选最佳的设计方案，对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。

关键词：航空；发动机；支架结构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.004

1 前言

结构拓扑设计是对结构材料进行最佳分配的一种优化方法，在规定的设计区域内，其通过对载荷、约束以及优化目标等进行对比分析，进而实现结构优化的目的。随着计算机技术的不断发展，这就为结构拓扑优化提供了设备支持，为其在航空航天、机械以及船舶等多个领域的广泛应用提供了可靠保障。结构拓扑优化的优势在于其能够在结构形状没有确定的情况下，根据所提供的边界条件和给定的载荷进而确定合理的结构形式，不僅能够将其用于新产品的设计过程中，而且还能对原有产品进行优化设计。为了提高航空发动机支架的设计质量，确保发动机的正常运行，对当前的支架结构进行拓扑优化设计，进而优选性能优良的支架结构，从而为发动机提供稳固的支撑。

2 拓扑优化理论

（1）拓扑优化变密度法。结构拓扑优化的本质是在规定的涉及区域内寻求最优材料分布的问题并进行求解。当前连续结构拓扑优化方法中，比较常用的有均匀法、变密度法以及渐进结构优化法等。本文将采用变密度法对航空发动机支架结构进行拓扑设计分析，通过引入一种假想的、密度值介于0～1之间的材料，进而将支架的连续结构体离散成为有限元的模型。在设计过程中，设计变量就是每个单元的密度值，进而能够将支架拓扑结构优化的问题转变为单元材料的最优分布问题，从而能够降低设计难度，提高支架的拓扑优化质量。

（2）拓扑优化的设计流程。本文中的支架结构拓扑优化是通过Nastran平台进行的，其能够大大提高拓扑优化工作效率，并且能够获得良好的拓扑优化结构。首先，要充分明确航空发动机支架的设计位置，借助三维UG软件建立发动机与飞机机身相连接的几何模型，由于以后的优化设计是建立在该模型的基础上，因此，要对该模型进行系统全面的检查，确保其与实际情况相符；其次，采用Patran软件对支架的结构模型进行前期的预处理，通过优化面板对设计区域、目标函数以及约束条件等进行明确的定义，为更进一步的分析提供支持；最后，再对支架结构进行拓扑优化迭代分析，寻找结构的最优解，其整个拓扑优化设计流程如下图1所示。

3 发动机支架的拓扑优化

（1）有限元模型的建立。通过建立有限元模型能够对发动机支架进行科学合理的离散化，即对其进行网格划分，这就为结构优化分析提供良好的基础。在保持发动机支架外形轮廓不变的前提下，通过对其进行充填处理，将其转变为横梁结构。将航空发动机的横梁结构作为拓扑优化的初始结构进行对比分析，采用Patran软件对其进行六面体网格划分处理，进而建立相应的有限元模型。

（2）拓扑优化定义和优化结果显示。在Patran软件中利用优化面板对所需要进行优化的三要素进行科学合理的定义，即设计区域、目标函数以及约束条件。根据发动机支架在实际工作过程中所受到的外力大小，对其施加相同大小的载荷，在支架的重心位置处加以800N竖直方向载荷、720N水平方向载荷以及45N·m，同时，为了提高支架的稳定性，还要在支架与飞机发动机安装板的连接处施加一固定约束。严格按照以上所述的发动机支架工作情况建立相应的拓扑优化模型，在Patran软件的有限元分析过程中，设定的目标函数为结构的最小柔度，进而对规定区域内的每个单元格里的材料密度进行拓扑优化分析。

（3）设计方案。通过采用变密度法就能得到支架结构的拓扑优化结果-密度等值面分布图，图中应力较大位置处的单元密度相对较高，而应力较小位置处的单元密度相对较低。但是在实际应用的过程中，支架材料的密度无法做到连续变化，因此，需要对所得到的密度等值面分布图进行一定的人工调整处理，进而能够符合实际情况的要求。在支架的结构设计中，根据当前支架所采用的结构形式，对拓扑优化结果进行一定的适应性调整，所得到的航空发动机支架设计方案如下图2所示。

4 结语

总而言之，拓扑优化是一种有效的结构概念设计方法，通过将其有效的运用于航空发动机支架结构的设计优化过程中，能够在一定程度上提高发动机支架的设计质量，进而为发动机支架的稳定工作提供可靠保障。本文对拓扑优化理论进行了一定的介绍，并将其与发动机支架结构的优化设计进行结合，进而对当前的发动机支架结构进行了一定的优化分析，能够在一定程度上改善支架的受力情况，提高其稳定性，为确保发动机正常工作提供牢固的支撑。

参考文献：

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