大型民用飞机翼身整流罩连接件优化设计

石荣荣，许美娟

（中航沈飞民用飞机有限责任公司工程研发事业部，沈阳 110000）

0 引言

在航空领域，基于增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术的民用飞机结构件的应用越来越广泛，空客、商飞等国内外一流飞机设计制造企业已经具备此类型零件装机应用的经验，并逐步推广。增材制造技术是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，实现零件的从无到有。这使得过去因受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件的制造变为可能。翼身整流罩连接件，常规钣金构型存在装配难度大的问题，虽然机加构型设计方案能够解决装配问题，但因受限于传统加工工艺水平，机加构型的翼身整流罩连接件加工困难、材料利用率低、强度裕度大，并非是高效结构。为提高结构效率，对其进行优化设计，但是传统工艺并不能满足优化构型设计方案的加工需求，而增材制造工艺可以解决这个问题。结构优化设计和增材制造加工工艺的结合，能够突破传统加工工艺的限制，能够设计并制造出更高效的翼身整流罩连接件。

1 结构概述

翼身整流罩是由复杂曲面组成，位于机身机翼对接区（如图1），对主起舱开口区及此区域内安装的各系统设备起到包络维形、气动光顺的作用。翼身整流罩连接件连接翼身整流罩蒙皮和机身蒙皮，此处结构均只承受局部气动载荷及自身惯性载荷，承载能力较小。

图1 翼身整流罩连接件示意图

现役民用飞机翼身整流罩连接件的设计，通常为钣金成型，与机身采用铆接连接，与整流罩蒙皮采用固定托板螺母螺栓连接。但是此装配方式难度较大，零件加工精度高，进而增加生产成本。为解决这些问题，设计机加构型翼身整流罩连接件，能够增加翼身整流罩连接件安装紧固件的区域，使之与整流罩蒙皮通过游动托板螺母安装螺栓的形式连接。具体连接形式和翼身整流罩连接件的结构形式如图2所示。

图2 机加构型翼身整流罩连接件示意图

2 拓扑优化设计

相比钣金构型，机加构型翼身整流罩连接件提高了强度，安全裕度过大，因此需通过进一步的分析计算，实施优化设计。具体地，采用ABAQUS软件对机加构型翼身整流罩连接件施加服役载荷，进行强度分析。根据计算结果，保留受载较大区域和连接区的结构，去除受载较小区域结构材料。据此，采用CATIA软件，对优化的翼身整流罩连接件进行三维重构，并再次采用ABAQUS软件对其进行强度校核，优化结构细节，降低结构的应力水平，形成最终优化构型翼身整流罩连接件的设计方案。

2.1 设计输入条件

1）结构设计要求。根据CCAR25部等设计要求，翼身整流罩连接件优化后的构型应当满足功能、强度、刚度等设计要求：a.作为连接件，需承担原有的连接作用；b.因翼身整流罩连接件连接翼身整流罩与机身蒙皮，共两处贴合面，应满足结构变形控制在2 mm以内的刚度要求；c.整流罩作为飞机重要的气动表面，需要满足气动表面光滑和密封支持功能。

2）强度载荷输入。经对翼身整流罩整体细节有限元模型进行分析，获得机身整体坐标系下翼身整流罩连接件的载荷工况，如表1所示。

表1 载荷工况

3）材料。机加构型翼身整流罩连接件材料为7050-T7451铝合金，基于增材制造工艺的优化构型翼身整流罩连接件采用性能与7050-T7451相近的AlSi10Mg材料，材料性能如表2所示。

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表2 材料性能

2.2 结构优化

2.2.1 设计域与非设计域的定义

机加构型翼身整流罩连接件在优化时，需定义零件的设计域与非设计域，设计域定义为深灰色，非设计域定义为浅灰色，如图3所示。其中，非设计域共包含两部分结构：1）实现翼身整流罩连接件连接功能的区域。翼身整流罩连接件通过A、B、C、D、E、F、G七处，实现与周围结构的连接。此重要连接区域，保留零件开孔及周边部分结构，设定孔周边为非设计域；2）实现翼身整流罩连接件的整流维形、密封功能的区域。为实现此功能，H部分设为非设计域。

图3 设计域与非设计域示意图

2.2.2 优化

本文基于ABAQUS软件对翼身整流罩连接件计算结果进行优化，具体优化步骤为：1）建立机加构型翼身整流罩连接件的三维数模，按要求拆分模型为设计域与非设计域两部分；2）将完成拆分的三维数模导入ABAQUS软件中，按照本文2.1节，定义其载荷和材料属性。并在A、B、C三处建立铰支约束，I点（零件长度方向的中心点）施加载荷，B、D、F、G四处与I点建立RBE2单元，进行载荷分流。强度分析后，得到两种工况下受载较严重工况的强度分析结果，如图4所示。

图4 机加构型翼身整流罩连接件应力计算结果

分析图4计算结果，机加构型翼身整流罩连接件整体应力水平比较低，强度裕度较大，应力主要分布在连接孔位置处。

根据ABAQUS软件计算结果，考虑增材制造工艺限制因素，如：零件厚度尺寸符合打印要求；考虑打印时设计最少支撑结构。同时考虑结构功能性要求、安装要求，并且满足强度要求的前提下，对零件做优化设计。采用CATIA软件对优化构型的翼身整流罩连接件进行三维重构，得到优化构型翼身整流罩连接件初步设计方案，如图5所示。

图5 优化构型翼身整流罩连接件初步设计方案

采用有限元软件ABAQUS 对初步设计方案进行强度校核。根据计算结果，进一步优化优化构型的设计方案。经过几轮的迭代优化，得到最终优化构型设计方案，如图6所示。

图6 优化构型翼身整流罩连接件

3 机加构型和优化构型的对比分析

3.1 强度分析对比

3.1.1 计算结果对比

1）WTBF-01工况。计算WTBF-01工况（见表1），得到翼身整流罩连接件两种方案的应力云图和位移云图，分别如图7和图8所示。

图7 WTBF-01工况应力计算结果

图8 WTBF-01工况位移计算结果

2）WTBF-02工况。计算WTBF-02工况（如表1），得到翼身整流罩连接件两种方案的应力云图和位移云图，分别如图9和图10所示。

图9 WTBF-02工况应力计算结果

图10 WTBF-02工况位移计算结果

3.1.2 结论

根据图7～图10的计算结果，分别选取机加构型和优化构型在两种工况下的最大应力及变形值，与设计要求进行比较，具体如表3所示。

表3 机加构型与优化构型的强度对比汇总表

根据上述分析结果可知，优化构型和机加构型的强度和刚度，均满足零件的设计要求，机加构型的安全裕度较大，结构效率低；优化构型的安全裕度符合设计要求，结构效率更高。

3.2 质量对比

根据2.1节材料性能，在CATIA软件中赋予相应材料密度，并进行测量，获得两种不同构型的质量，具体如表4所示。

表4 机加构型与优化构型的质量对比

3.3 材料利用率对比

机加构型：机加构型的翼身整流罩连接件为厚板机加成型，所需毛料尺寸为510 mm×240 mm×101.6 mm，其质量为27.70 kg，零件质量为0.87 kg，材料的利用率为3.14%。

优化构型：优化构型的翼身整流罩连接件采用激光沉积增材制造工艺成型，其材料利用率高达90%以上。

4 结论

本文基于工程实际应用，利用ABAQUS和CATIA计算机辅助设计软件，对翼身整流罩连接件进行优化设计与分析，得到翼身整流罩连接件的优化构型。优化构型满足结构的强度、刚度要求，降低结构质量，大幅提高材料利用率。具体如下：

1）强度。优化构型的翼身整流罩连接件的最大应力为318.30 MPa（如图7），小于材料的极限拉伸强度335 MPa，满足强度设计要求。

2）刚度。优化构型的翼身整流罩连接件的最大位移为1.55 mm（如图8），小于结构的变形要求（结构变形＜2mm），满足刚度设计要求。

3）质量。优化构型的质量为0.52 kg，相比机加构型质量的0.863 kg，实现减重40.22%。

4）材料利用率。优化构型的材料利用率达到90%以上，远远高于机加构型的3.14%的材料利用率。

综上，优化构型翼身整流罩连接件满足设计要求，并且具备更高结构效率、更低结构质量和更高的材料利用率。