分析3D打印技术的飞机连接件结构优化设计

分析 3D打印技术的飞机连接件结构优化设计

邹德辉

沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁沈阳 110000

摘要：科学技术的发展以及3D打印技术的日渐发展，使得飞机连接件的整体质量得到提升。基于此，本文结合实际情况，首先分析了飞机连接件结构优化设计内容；其次通过拓扑优化方式对飞机连接模型进行全面分析，在进一步实现仿真模拟后，为3D打印技术的应用处理创设诸多有利条件。

关键词：飞机连接件；拓扑优化；静力学；3D打印

引言

3D打印技术和拓扑优化设计方法的紧密结合，可以有效对飞机等机械部件进行处理，科研人员通过一系列的仿真分析处理后，对飞机内部架构的质量进行调整，在摒弃传统的设计思想后，确保飞机运行处于安全的状态。

1.飞机连接件结构优化设计内容

1.1尺寸优化

设计变量是飞机连接件结构优化设计的主要影响因素之一，在具体应用过程中，机组设计管理人员主要对飞机内部系统杆架构的惯性矩、横截面、大梁整体高度、板件宽度以及厚度多个方面进行分析，并密切关注主要零部件复合金属材质的具体厚度和材料组装角度，同时，通过有限元的计算方法来对机体位移数据进行判断，在对尺寸进行相应调整期间可以不通过网格方式进行重新划分。例如，可以依据敏度分析方法以及科学合理的数学计算公式来制定完整的尺寸设计方案，针对一些规范的几何模型，研究者可以对飞机连接件部分节点位置和单元组合部分的桁架部位高度重视，利用有限元分析的方法对杆件的截面范围进行统筹规划，以适应出现幅度变化时产生的尺寸误差。除此之外，针对那些具有连续特点的机体内部架构，可以将整个钢材材料的厚度看成一个整体，在设定固定的变量数值后，按照阶梯型等方式对优化结果进行排列组合，通常情况下，刚度构建形成的图形和设计变量都会存在简单的线性联系。

1.2拓扑优化

科研人员结合自身工作经验，在统一的材料质量范围内，根据一些原始的材料数值和设计方式对系统的方案结果进行求解，在逐步提升飞机整体架构强度和规划其尺寸规格的同时，通过完整的拓扑优化理论对不同工程设计内容进行优化和调整，为相关企业带来较大的经济效益和社会效益。据有关资料显示，拓扑优化的目标主要是提升不同结构的质量和强度效果，进而满足预设的空间要求，设计人员在特定的空间范围内对不同零部件进行有效分配，在发挥各个部位实用性能后，降低整个系统的重量^[1]。

2.飞机连接模型的优化讨论

2. 1建立优化模型

首先，实验人员可以选择适量的飞机典型双耳接头构件，将其分为设计区间和非设计区间两个重要组成部分。为了此次实验能够达到国家规定的飞机装配安装处理标准，应对相关区域的范围进行妥善处理；其次，应借助适量螺栓器具将飞机上的基板上安装相应接头，促使基板处于一个静止不动的状态，通过适当力度的载荷处理同耳片的圆棒将其刺穿进而到达耳片相关部位，在耳片内部的绕轴线可以随着圆棒变化而灵活移动后，切忌不能将轴线附近的耳片进行移动。在相关人员密切观察的基础上，对荷载信息进行及时的分析汇总，并对铝合金材料的功能（密度、强度、弹性及压缩屈服效果）进行综合整理，并归档保管；最后，实验操作人员可以应用Solid Works Simulation等有限元分析方法对飞机相关连接件的结构特征进行 计算，确保形成的网格单元不超过16mm,通过合理方式将此个模型分为133491个单元、197718个节点数。

飞机系统内部的连接件被螺栓固定在基板上后，基板的状态始终是处于约束的，在固定的方式下，可以产生限制7个自由度的效果。方案设计人员应在实际的飞机连接件处理工作中对相关问题进行优化，构建多种处理模型来达到预设的工况要求。

2.2原始模型静力学与模态计算结果分析

在一系列的静应力处理下，设计人员应结合先进的计算机技术，对飞机连接件不同的工况特点的应力分布特征和外观变化进行综合协调，在保证飞机连接件能够承受相应荷载压力后，促使相关应力、变形效应集中在飞机架构内的耳片附近，达到其他部位承受较小压力的目的。对国内外成功案例可以得知，固定圆棒的耳边区域将产生最大的应力效果，当模型安全系数达到2.34*10⁷、1.14*10⁶及1.14*10⁶时，飞机连接件的空间范围达到最大。

2.3拓扑优化结果概述

通过Solid Works Simulation拓扑优化方式分析，可以对相关模型进行优化处理。首先，应对不同研究对象的材料结构数值、边界特征、网格范围以及载荷情况进行充分了解，通过对每次研究目的进行整理后设置各个约束条件，例如，在质量约束期间，可以将材料的质量降低11%已达到拓扑效果，在对应力约束期间，应保证材料屈服力度82%大于应力，在将不同工况逐步融入到负载管理器后，统一急性拓扑优化管理，在构建相应模型后，根据23次迭代方式对最大应力和，目标函数进行反复论证，并去除14%的材料质量^[2]。值得注意的是，针对拓扑优化建立的初期模型，不能直接转换成3D成型模式，在实际设计过程中应避免结构出现悬空状态，通过合理管控措施对支撑问题进行优化，例如，可以通过人工圆处理方法达到具体的工业设计标准，在全面结合飞机连接件使用特点、3D打印处理技术后，经过多个部门的技术交流，制定最优的设计方案图纸。

2.4拓扑后静力学与模态计算结果分析

为了确保拓扑优化方案的可行性，相关人员还应对拓扑后的模型静力特点进行验证，在对不同模型的最大变形、最大应力以及最小安全系数进行分析后采用科学的静力学处理方法，对优化后的模型性能版进行整理，进而满足设计要求。

2.5质量校核

通过对飞机连接件拓扑优化处理后，飞机前后质量为95.42kg和69.81kg，可以看出，模型优化后的质量减重效果明显，可以达到飞机机身轻巧的实用要求，飞机机组研究管理人员应对飞机连接件的模态数据进行全面部署，对其固有频率和振型进行妥善处理。

结束语：

总而言之，应用3D打印成型方式的飞机连接件可以达到拓扑优化设计要求，相关人员应确保工况安全的情况下，促使飞机内部最大应力、最小安全系数、最大变形不会出现大幅度变化，在进一步提升飞机振动频率的基础上，达到减重效果，确保拓扑优化在各项制造构件处理中能够发挥较大的应用优势。

参考文献：

1. 胡添翼, 向佳杰, 邓屿,等. 面向3D打印技术的飞机连接件结构优化设计[J]. 成都工业学院学报, 2020, 23(2):6.
   [2]夏沐清编译. NASA投资用于飞机的3D打印技术[J]. 兵器材料科学与工程, 2020, 43(1):1.