民用飞机典型增材制造接头设计

民用飞机典型增材制造接头设计

裴鸿领 史庆楠

辽宁瀚海工业机电设备有限公司 辽宁省抚顺市 110044

摘要：民用飞机结构的轻量化需求很高，由此本文充分发挥增材制造(3D 打印)技术的优势，即光敏树脂材料的单位承载能力(载荷/质量)较强，并且易于根据设计载荷工况设计出具有复杂外形的接头，探索“强度引领结构”的新设计模式。旨在充分利用每一克质量，大幅提高设计优化的效率，以实现接头的大幅减重及其承载能力的大幅提升。

关键词： 3D 打印；拓扑优化；有限元分析；CAD 建模；加载试验

引言

针对民用飞机结构轻量化的高需求，本文介绍了民用飞机典型双耳接头 3D 打印设计制造一体化的流程及方法。首先通过工程算法对双耳接头进行静强度分析，并运用拓扑软件进行优化设计，经过有限元分析软件进行非线性仿真分析之后调整优化设计模型；然后进行静强度加载，验证接头的承载能力。初始接头质量为 214.15g，承载能力（载荷/质量）为 74.74N/g。优化后，接头质量为 30.25g，减重 85.87%；承载能力为 231.37N/g，提升了 209.57%。

1初始结构、材料属性及设计目标

初始的飞机典型双耳接头结构。为确保装配要求，其中耳孔附近区域为不可设计区域，其余区域为可设计区域。耳片内销轴与另一个夹具固定。进行力学性能测试试验时，拉伸试验机的载荷施加方向为 x 轴方向，采用 25 个 M3 紧固件将接头固定在夹具上，紧固件的抗拉强度为 800MPa，屈服强度为 640MPa，优化设计方案中可以舍弃部分紧固件。

2优化设计

2.1 采用的软件

本文采用Hypermesh软件对双耳接头进行有限元建模。该软件是美国 Altair 公司出品的 CAE 应用软件包 Hyperworks 中的一个前处理子模块，可与各主流有限元分析软件完美兼容，适用于复杂问题的模型建立及求解。Nastran 软件的线性分析性能较强，计算速度快且易于提取紧固件载荷。故针对第一轮舍弃部分紧固件的优化，选择 Nastran 软件作为有限元分析软件，进行线性接触分析。

Abaqus 软件的非线性分析性能较强，能较为真实地模拟非线性接触和逐步加载的过程，但提取紧固件载荷的过程较为麻烦：需要先逐个定义紧固件截面，提取出应力后再计算得到紧固件载荷，无法像采用 Nastran 软件时一样直接提取紧固件载荷。由于紧固件的安全裕度远大于接头本体，因此后几轮优化中仅对接头本体进行强度分析，选择 Abaqus软件作为有限元分析软件。

本文采用 Solidthinking Inspire 软件对双耳接头进行拓扑优化、几何重构、3D 打印仿真。该软件也是 CAE 应用软件包 Hyperworks 中的一个子模块，包含一个快速、准确的有限元求解器，其提供的优化方法可以用于静力学、模态、弯曲扭转、频率响应的优化分析；其优化设计的变量可以随用户意愿选取，可选取单元密度、节点坐标、属性(如结构的尺寸、厚度、面积、体积和惯性力矩)等。

2.2 结构分析

在耳片与力线相邻的紧固件孔之间直接使用拉杆进行连接，可形成最有效的传载方式。由于接头连接基板，紧固件的孔直径为 D1，基板厚度为 t1，周边为非设计区域，保守考虑 1.5 倍放大系数，则由下式可得单个紧固件孔在 2 倍边距下的挤压强度brF 为 315N。单个耳片非设计区域的内径为 D2，厚度为 t2，根据工程经验考虑 1.15 倍的放大系数，两个耳片的拉伸破坏强度lugF 为 8035N。

2.3 拓扑优化

采用 Inspire 软件进行拓扑优化，以初始体积的30%作为最大刚度优化目标。设置接头与基板接触，约束基板四周，载荷施加在耳片内孔前半部分，模拟真实加载。由于必须保证接头前端的剩余材料与基板具有足够的接触刚度，因此材料基本堆积在力线周围，而耳片周围仅保留非设计区域，说明耳片强度充足。

3几何重构

3.1 初步几何重构

基于优化结果，利用 Inspire 软件对优化结果进行 CAD 建模。相对于传统的建模方法，PolyNurbs 模块没有严格的尺寸控制和模型树。所以针对非设计区域耳片和基座紧固件孔，还需采用传统 CAD 方法建模，主要通过草图绘制和推拉(push-pull)的方法建立。考虑到拓扑优化结果和增材成型速度，耳片和接头基座中间的支撑骨架部分全部采用拉杆结构。拉杆用传统的 CAD 建模方法较难创建，采用PolyNurbs 模块进行筋条光顺外形的创建。与此同时，接头基座需与拉杆光顺链接，也通过 PolyNurbs模块创建。并且，根据飞机接头通用设计原则，沿主传力路径，紧固件孔边距需取 2D(D 为紧固件孔直径)。

3.2 强度分析

采用 Abaqus 软件进行隐式非线性强度分析，加载载荷xF =8000N，位移、应力。从有限元分析结果可以看出，载荷加载到77.14%(即 6171.2N)时，由于拉杆单元进入塑性大变形阶段，计算终止。第二排中间的钉孔最先出现了大于光敏材料断裂延伸率 8%的塑性应变。按照式(1)计算，接头理论承载能力 R 为 222.79N/g。

3.4 打印方向

在 3D 打印过程中未固化的部分后续会存在收缩的情况，而且固化程度不同，收缩率不同。因此对于垂直打印的材料，每 50μm 就可能因光源而产生更多的应力缺陷点，机械性能大大降低。因载荷方向沿 x 轴，z 轴通常为垂直方向，故零件打印方向与设计坐标系方向一致，以尽可能避免内外部缺陷产生的影响。

4结 论

通过工程计算、拓扑优化、钉孔挤压试验，最终实现了飞机典型接头在尽可能轻量化的前提下进行减重。通过有限元分析发现，破坏载荷、破坏模式、破坏位置均与加载试验结果吻合，验证了有限元分析的可信度。得到的主要结论如下。1) 初始接头质量为 214.15g，优化后接头质量为30.25g，实现减重 85.87%。2) 初始接头的承载能力为 74.74N/g，优化后接头的承载能力为 231.37 N/g，提升了 209.57%。3) 试验分析过程中有一定的偏差，主要缘于两方面：一是光敏树脂材料属性的不确定性；二是在使用 Abaqus 软件进行有限元建模时，材料的非线性、接触的非线性仿真还有改善的空间，并且加载步长较大，导致分步计算时计算程序提前终止。4) 因打印工艺的不确定性，光敏树脂在增材制造过程中不可避免地会产生内部缺陷，这会影响其断裂强度和失效方式。上述偏差均不会对试验结果造成重要影响。

结语

综上所述，通过建立对接接头的弹塑性接触有限元模型和不断细化网格的方法来对机翼机身对接接头进行非线性耦合分析，给出了接头的应力分布及屈服状况，数值模拟结果与实际情况相符。基于 HyperMesh 软件的二次开发功能，制订了一套适用于高承载接头的优化设计流程，综合考虑了接头的布局、形状和尺寸优化变量。

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