基于三维双尺度拓扑优化的飞行器起落架构型及优化方法

本发明涉及飞行器起落架结构优化设计，尤其涉及一种基于三维双尺度拓扑优化的飞行器起落架构型及优化方法。

背景技术：

1、随着飞行器技术的进步，对飞行器的性能要求也日益提高，低成本与高能源使用率逐渐成为结构设计的主要导向。因此，如何在保证飞行器结构功能最大化的同时，实现军用装备的低成本化和效能最大化，成为影响航空装备快速发展的主要矛盾。这主要表现为，飞行器设计过程中，不仅要保障其具有一定的强度，同时还要最大程度地降低其质量；而要实现高强度和低质量，这就无疑需要对飞行器的结构进行优化设计。因此，亟需提出一个强度高、质量轻的飞行器结构。

2、目前，飞行器起落架的传统设计方法以经验为主，辅以参数优化，其具体方法是工程人员根据经验对结构布局进行设计，得到刚度尽可能大，应力尽可能小的布局，并使用商业软件进行分析，以验证布局的合理性；之后采用参数优化对结构尺寸进行设计，得到满足使用条件的构型。基于此方法的得到的构型，不能充分发挥材料和结构的设计潜力，不能满足得到最优构型的要求。

3、除此之外，现有设计完全围绕传统的轻质金属或合金(镁、铝及其合金等)材料，无法完全发挥材料和结构的承载性能。采用传统的轻质金属或合金材料来进行拓扑优化设计的传统方法已不能满足新一代飞行器的性能需求。随着增材制造技术的成熟，多功能点阵微结构逐渐成为结构设计领域中的重要研究方向。点阵微结构因其高比强度、比刚度的特点，相较于传统实心金属以及合金材料可以有效减轻结构质量。所以，本发明采用双尺度拓扑优化技术将点阵微结构设计于飞行器起落架结构中，得到强度高、质量轻的飞行器结构。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供的一种基于三维双尺度拓扑优化的飞行器起落架构型及优化方法，解决了现有的根据结构布局所设计的飞行器起落架结构无法充分发挥材料的力学性能，且无法实现其轻量化的技术问题。

2、第一方面，为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于三维双尺度拓扑优化的飞行器起落架构型，包括起落架接头上部、起落架接头下部、起落架上面板和起落架支座；起落架支座上设有起落架上面板；起落架上面板中间开有条形孔，起落架接头下部穿过条形孔与起落架接头上部连接，起落架接头上部设于起落架上面板顶部；起落架接头上部与飞机作动筒连接。

4、在本方案中，飞行器起落架在受冲击过程中，冲击变形从飞机作动筒依次传递至起落架接头上部和起落架接头下部，起落架接头下部穿过条形孔设置在起落架上面板上，能将冲击变形分散至起落架上面板，提高了起落架的抗冲击变形能力；起落架上面板将冲击变形传递到与底座固定连接的起落架支座，起落架支座能保证飞行器起落架整体结构的刚度，保证其不产生过大的形变。

5、进一步地，起落架支座包括两块横向支座和两块纵向支座，两块横向支座分别设置在起落架上面板沿长边方向的两侧；两块纵向支座平行设置在两块横向支座之间。

6、在本方案中，两块横向支座和两块纵向支座在起落架上面板底部形成矩形框架，以提高起落架上面板的结构强度；在起落架上面板受到冲击变形后，矩形框架可避免起落架上面板发生形变。

7、进一步地，起落架接头下部为拱形结构，拱形结构的两端分别连接两块纵向支座。

8、在本方案中，起落架接头下部设于起落架接头上部的正下方，产生冲击形变时起落架接头下部承受主要的冲击变形，拱形结构设计可提高其竖向承载力，增加其抗冲击变形能力。

9、进一步地，起落架接头下部内部为通过三维双尺度拓扑优化方法得到的点阵微结构。

10、在本方案中，起落架接头下部承受冲击变形时，点阵微结构起到减震吸能的效果，以缓冲飞机作动筒产生的冲击变形，提高了起落架接头下部承载能力，同时还可降低其质量，实现轻量化的效果。

11、进一步地，起落架接头上部的两侧设有若干条加强筋；起落架上面板的顶部设有若干条加强筋。

12、在本方案中，在起落架接头上部和起落架上面板上均设计加强筋，提高二者的机械强度。

13、第二方面，本发明基于第一方面提供的一种基于三维双尺度拓扑优化的飞行器起落架构型，提供一种基于三维双尺度拓扑优化的飞行器起落架构型的优化方法，包括以下步骤：

14、s1：根据起落架的局部应力应变分析起落架的疲劳寿命，确定起落架的拓扑优化与参数优化的约束条件；

15、s2：根据起落架结构的几何模型确定设计域；将设计域进行网格划分，并以网格密度作为变量，对设计域进行迭代拓扑优化，直至满足约束条件，得到起落架拓扑优化结构，并输出起落架拓扑优化结构的网格密度信息；

16、s3：采用遗传算法对拓扑优化结构进行参数优化。

17、在本方案中，通过设计约束条件来优化起落架结构，直至起落架结构符合优化约束条件；通过该拓扑优化方法得到的起落架结构，能够充分的发挥材料的强度性能和结构性能，提高起落架结构的强度，同时拓扑优化得到的点阵微结构，还可降低起落架结构的质量，实现减重效果。

18、进一步地，s1包括：

19、s101：将起落架结构疲劳危险点处的应力应变与材料冲击疲劳试验的s-n曲线进行对照，预估起落架结构的冲击疲劳寿命；

20、s102：基于预估冲击疲劳寿命，根据材料冲击的s-n曲线和线性损伤累计理论，采用一次着陆的载荷曲线得到满足疲劳强度要求的应力约束；

21、s103：将起落架质量的减重大于10％作为指标得到起落架的质量约束。

22、在本方案中，对照材料冲击疲劳试验的s-n曲线预估冲击疲劳寿命，在预估疲劳寿命下计算应力约束，满足该应力约束的起落架结构能实现高强度；设计质量约束，满足该质量约束的起落架结构能实现低质量。

23、进一步地，s2包括：

24、s201：建立起落架结构的几何模型，并确定设计域的大小；将设计域进行网格划分，得到宏观设计域和微观设计域；并分别获取宏观设计域和微观设计域的网格尺寸、网格密度、约束边界条件和外力载荷；

25、s202：基于c3d8单元的双尺度刚度计算，建立以宏观结构网格密度ρm和微观结构网格密度ρm作为双尺度自变量的起落架拓扑优化的目标函数j：

26、

27、其中，dm是宏观结构的刚度张量；dm是微观结构的刚度张量；ε(um)为微观结构内的未知应变场；|ωm|为微观结构的体积；

28、以及材料宏观结构体积约束函数gm和微观结构体积约束函数gm：

29、

30、

31、其中，v0是实体元素的体积分数；vm是宏观的最大体积分数；vm是微观的最大体积分数；

32、s203：计算目标函数和约束函数的一阶导数，以表示设计变量变化的敏感度；即

33、目标函数和宏观结构体积约束函数关于宏观网格密度ρm的敏感度：

34、

35、目标函数和微观结构体积约束函数关于微观网格密度ρm的敏感度：

36、

37、其中，是均匀化的刚度张量dh关于微观网格密度ρm的一阶导数；

38、s204：基于k-t条件，获取宏观结构网格密度更新因子和微观结构网格密度更新因子

39、

40、其中，κ是当前迭代；i是迭代次数；是当前迭代下的拉格朗日乘子；是当前迭代下的拉格朗日乘子；

41、利用宏观结构网格密度更新因子和微观结构网格密度更新因子开始迭代进行三维双尺度拓扑优化，直至满足目标函数和体积约束函数，输出对应的网格密度信息。

42、在本方案中，以宏观结构网格密度和微观结构网格密度作为自变量进行宏观结构和微观结构的双尺度拓扑优化，使其满足目标函数和体积约束函数后得到宏观结构形式和点阵微结构，实现了以刚度最大、减重10％为目的优化结果。

43、进一步地，s3包括：

44、s301：建立起落架拓扑优化结构的参数化模型，将所需优化的筋条厚度进行参数化；建模时筋条使用无实际厚度的壳体结构建模；

45、s302：设置遗传算法的群体大小、终止进化代数、交叉概率和变异概率；设置筋条厚度的变化范围、优化目标和优化约束；

46、s303：利用遗传算法输入壳体厚度，输出壳体应力和壳体质量；对起落架拓扑优化结构进行再次优化。

47、在本方案中，对起落架拓扑优化后得到的最优结构再次通过遗传算法优化其参数，得到具体的筋条参数。

48、本发明的有益效果是：

49、本发明提供的基于三维双尺度拓扑优化的飞行器起落架构型中，起落架接头上部与飞机作动筒相连，飞机作动筒产生的冲击变形传到起落架接头上部，进而传递到起落架接头下部和起落架上面板；起落架接头下部的点阵微结构能够缓冲飞机作动筒产生的冲击变形，起到减震吸能的作用；同时点阵微结构还能实现减重效果；设计矩形框架的起落架支座，提高了起落架上面板的刚度，保证了起落架结构受冲击时不易变形。

50、本发明提供的基于三维双尺度拓扑优化的飞行器起落架构型优化方法中，将双尺度拓扑优化方法应用于飞机起落架承力结构的设计，得到了包含点阵微结构的设计结果，最大程度地发挥了材料和力学性能和结构性能，在保证满足疲劳强度、冲击强度的需求下，实现了减重10％的目标；相对于传统的根据结构布局设计的方法，提供一种新的设计结构，即采用点阵微结构，而非传统实体金属材料。