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拓扑优化技术在飞机发动机吊挂结构设计中的应用
长期以来，飞机结构设计依靠传统设计经验以及各种试验数据的累积，研制周期长、成本高， 无法满足客户对研制周期及成本控制的要求。为了降低研制成本，节约宝贵的设计周期，只能通过 减少设计迭代次数来实现，而结构优化技术为实现这种理想设计提供了可能。据国外资料报道，空 客公司空客 A350 飞机后机身整体结构初始设计中采用先进拓扑优化技术，获得了鲜明的主要传载 结构，考虑所有工况得到新的设计，结构应力均匀，减重 15-20%[1]。
1 概述
长期以来，飞机结构设计依靠传统设计经验以及各种试验数据的累积，研制周期长、成本高， 无法满足客户对研制周期及成本控制的要求。为了降低研制成本，节约宝贵的设计周期，只能通过 减少设计迭代次数来实现，而结构优化技术为实现这种理想设计提供了可能。据国外资料报道，空 客公司空客 A350 飞机后机身整体结构初始设计中采用先进拓扑优化技术，获得了鲜明的主要传载 结构，考虑所有工况得到新的设计，结构应力均匀，减重 15-20%[1]。
图1 空客 A350 飞机后机身整体结构拓扑优化
本文利用拓扑优化技术，对飞机发动机吊挂结构进行了优化设计，设计结果表明，该设计方法
有效减少了设计迭代次数，节省了研制周期及成本，能够满足客户对研制周期及成本控制的要求。
2 发动机吊挂结构简介
翼吊飞机布局发动机通过吊挂固定在机翼下方，发动机吊挂一般为盒形梁式结构，将发动机所 有推力及惯性载荷传递至机翼，民用运输机发动机典型吊挂结构见图 2 所示。
图2 民用运输机发动机吊挂结构
吊挂盒段结构为吊挂主承力结构，一般多采用为梁式薄蒙皮结构，梁缘条承受弯矩，梁腹板、 侧壁蒙皮承受剪力。吊挂与发动机通过吊挂前肋、后肋连接，吊挂与机翼通过吊挂前撑杆、主接头、 侧向接头以及后撑杆连接，为超静定连接结构。
3 拓扑优化设计
根据吊挂总体外形、发动机及机翼对接接口位置关系以及吊挂设计载荷等设计输入，建立了吊 挂结构方案拓扑优化模型（图 3），利用 OptiStruct 拓扑优化算法，得到一种传力路径直接的结构布 局形式。
3.1 拓扑优化模型建立
该模型选取了 3 种最严重载荷工况进行计算，拓扑优化设计变量为单元密度，目标函数为 3 种 工况的加权应变能最小，约束条件为体积比 0.3，利用 HyperMesh 建立的拓扑优化模型见图 3，从 图中可以看出，载荷通过 RBE2 刚性单元施加在发动机重心上，该模型共有 134506 个节点，121258 个实体单元。
图3 吊挂结构拓扑优化模型
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