基于条件算法的飞机起落架扭力臂的拓扑优化

飞机起落架扭力臂结构在满足基本结构强度的前提下，应尽量实现轻量化。本文采用Abaqus/CAE中的优化模块对起落架的扭力臂进行拓扑优化，以应变能最大值最小化为控制变量，体积减小为目标，基于条件算法建立优化任务，最终优化后的拓扑结构体积下降49.25%，实现了轻量化的设计需求，为起落架的优化分析提供参考和指导。

飞机起落架扭力臂就是飞机在地面停放、滑行、起飞着陆滑跑时用于支撑飞机重力，承受相应载荷的装置[1]，其性能好坏将直接影响旅客的飞行安全。因此在起落架扭力臂的结构设计中，在满足基本结构强度的前提下，应尽可能朝轻量化方向发展。然而，选择去除结构体中的什么部分并不是一件容易的事情。以往的方法往往采用耗时且代价昂贵的实物测试方法，但就结果而言，费时费力且通常无法获得实质性进展。本文利用虚拟仿真技术来对其进行拓扑优化，在满足轻量化设计需求的同时，缩短轻量化生产中的设计时间。

拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在目标区域内对所给零件进行优化的数学方法。简单来说，就是基于控制变量的(如应变能最小)的情况，去找出相应优化目标最优值(如体积)的拓扑结构。针对扭力臂的分析优化问题，许多学者已经做出了相关研究。于方圆[2]等利用AMESim 对前起落架收放系统建模，对其放下过程系统压力及作动筒行程变化进行分析；齐浩[3]等以无人机半轴式主起落架和半摇臂式后起落架作为研究目标，分别建立包含模拟飞机等效气动升力造成载荷变化的阻尼及缓冲支柱摩擦力的主起落架降落震力学分析模型，建立数字化样机进行联合仿真，研究其着陆动态特性；石磊[4]等基于ANSYS Workbench 对扭力臂进行应力应变分析，通过Matlab 对重构模型的7 个显著参数进行响应面建模，并用遗传算法获得其结构尺寸的优化；徐浩然[5]等以飞机起落架的外筒结构作为研究对象，以轻量化为目标建立拓扑优化数学模型，并在此基础上以应力最小作为优化目标，建立起自由曲面形状优化模型，获得了最优的解决方案。

本文针对飞机起落架结构，以应变能和体积为设计响应建立目标函数，考虑到工业生产中的脱模工序几何限制，利用Abaqus/CAE 中的条件算法进行拓扑优化，并与优化前结构进行对比，旨在保证起落架机构刚度(即最大应变能)的同时实现轻量化的选择。

2. 拓扑优化设计 拓扑优化的目的，就是完成结构的轻量化设计。具体过程是将目标区域离散成大量的子集，并对这些子集进行应力强度分析， 再按某种优化策略或准则(即目标函数和约束)从这些子集中删除部分材料， 用保留下来的子集描述最优化的拓扑结构。一般通用求解过程如下图1 所示。优化计算的过程主要为设计响应、给出目标函数、设置约束和几何限制、创建停止条件。

本文采用最小柔度(SIMP)法建立优化模型， 优化准则(OC)法进行优化计算，以此完成拓扑优化设计。

在对结构拓扑优化时， 过程中应该考虑应力约束、位移约束和最小构件尺寸约朿的综合优化问题[6]， 可以描述为 ()T12Find, , , 01nix xxx=≤≤X ( )()Minf xf x∗= (1)