童丽飞 张森
中航工业第一飞机设计研究院 陕西 西安710000
摘要：本文采用显式非线性方法分析了某飞机轮挡的强度，并建立了线性静态等效模型。基于线性静态等效模型，采用拓扑优化找出结构局部区域在材料分布，重新设计后结构减重0.53kg。在优化模型的基础上进行尺寸形状联合优化，优化后减重5.79kg。最后用显式非线性方法对优化后的结构进行强度校核，优化后结构满足强度性能。采用该方法飞机轮挡共计减重6.32kg，减重百分比45.3%，减重效果显著。该方法可为同类结构设计借鉴。
关键字：飞机轮挡；拓扑优化；形状优化；尺寸优化
0引言
飞机轮挡是常用的地面安全设备，当飞机正常停放时，通常是利用轮挡阻挡飞机意外移动，以避免引发航空地面事故。
飞机轮挡传统的结构优化设计主要依靠设计人员以往的设计经验对若干种设计方案进行比较，然后从中选出最好的设计方案，选出的这种设计方案只是若干种设计方案中的最优者或较优者，因此传统的结构选优设计方法实际是经验优化设计方法。经验优化设计方法缺乏对设计对象的全面理论分析和严谨的优化理论，具有很大的局限性。
为了满足用户的使用需求，飞机轮挡目前正在朝着轻巧﹑轻便化的方向发展，即在提高有效载荷，满足结构刚度、强度等性能要求的前提下，追求飞机轮挡结构设计的轻量化。鉴于基于OptiStruct技术的结构优化设计方法在国内外飞行器结构设计上的成功应用，本文以HyerWorks软件为平台，采用拓扑、尺寸和形状优化的联合优化方法对某型飞机轮挡进行优化。
1轮挡有限元分析
1.1轮挡有限元模型
将轮挡CATIA模型导入HyperMesh，轮挡结构采用实体单元，厚度方向保证至少三层网格单元，轮挡下部锥钉采用弹簧单元，轮胎采用壳单元，地面用刚性单元模拟。有限元模型如图1所示。
1.2边界条件
按照轮挡实际工作情况对轮挡进行约束和加载。约束地面6个方向自由度，弹簧单元一端与地面连接，另一端连接轮挡来限制前后轮挡滑动，轮挡和地面接触来限制轮挡上下运动。轮胎内圈与轮毂连接，充气后内圈刚度相对轮胎外圈和侧面很大，本文用刚性单元连接进行简化，在轮心处施加载荷。轮胎与地面、轮胎与轮挡建立接触，通过轮胎与轮挡接触将载荷传递到轮挡。轮胎加载分为以下几个阶段：0-5ms轮胎充气，5-10ms第二阶段轮胎向下压，10-25ms第三阶段向挡轮压，载荷为4T，25-30ms采用动态松弛法得到挡轮受压时的稳态应力。
1.3轮挡分析结果
挡轮应力结果如图2所示，最大应力为224MPa，小于材料的强度极限275MPa。挡轮设计有一定的强度富裕，具有减重的潜力。
2挡轮结构优化
考虑到计算效率，本文将RADIOSS显式模型等效为线性静态分析模型，对等效线性静态模型进行优化，优化流程图如图3所示。
