基于ANSYS的直升机用“Z”型件的分析与优化设计

基于ANSYS的直升机用“Z”型件的分析与优化设计

陈广思

（中国航空工业直升机设计研究所 333000）

摘要：本文应用ANSYS软件对直升机用“Z”型件进行静力学分析，并且采用MOGA算法对“Z”型件的设计尺寸进行参数化优化，优化的结果显示“Z”型件变形和重量都有明显的下降，其中重量减少了25％，而等效应力只有小幅度增加。表明，通过ANSYS软件的参数化优化，能够获得更为合适的设计尺寸，有效得控制设计重量，为直升机减重提供指导。

关键词：ANSYS；直升机；钣金；有限元；结构优化设计

我国直升机制造技术日益先进，可减重依旧是直升机制造中最为关注的问题之一。轻薄易加工钣金件在当下的直升机制造中是相当受青睐的零件，它具有轻量化、比强度-比刚度高、耐腐蚀性强、抗冲击性好、经济性等特点[1]。直升机上应用了大量的钣金件，如：框、梁、角材等都是直升机结构中重要的组成元素。

本文基于ANSYS软件，针对直升机结构中常用的一种钣金“Z”型件进行结构优化分析。通过对比结构优化前后的“Z”型件的应力、形变以及重量等参数，为后续的此类钣金件设计提供参考依据。

1.ANSYS有限元分析

ANSYS是由美国ANSYS公司开发的一款强大的有限元分析软件，在工程设计中被广泛得应用。杨毅[2]等人就基于ANSYS软件对直升机吊挂挂钩进行了结构分析与优化设计，最终使得挂钩减重了23.9％；伍丹霞[3]等人应用ANSYS软件，分析了不同材料的曲面梯形飞机在飞行中特点，并对飞机进行了部分构件优化，该方法简化了此类飞机的结构设计工作，提高了设计效率。

2.ANSYS“Z”型件静力学分析

2.1“Z”型件模型建立与材料

本文建立的“Z”型件为简化后的数模，忽略掉其所在的整流罩外形的曲率，直接由截面拉伸1000mm生成实体。

“Z”型件材料为铝合金，其杨氏模量为71GPa，泊松比为0.33，剪切模量为26.692GPa，拉伸屈服强度为280MPa，压缩屈服强度为280MPa。

2.2有限元结果分析

划分网格后进行仿真分析，得到的“Z”型件的总变形以及等效应力云图如图1所示。云图中可以看出，在载荷的作用下，“Z”型件最大变形区出现在梁的中下方，而等效应力最大的区域是在两端支撑面边界处，这是因为固定支撑面边缘的R角区域存在应力集中的原因所导致的。仿真计算结果的最大变形为0.219mm、最大等效应力15.966MPa、其中最大等效应力远小于铝合金的屈服强度，说明“Z”型件结构存在优化空间。

3.“Z”型件的参数化优化

本文中的“Z”型件的参数均为连续性参数，可以选择MOGA（多目标遗传算法）法对“Z”型件的参数进行数值优化。遗传算法是一种仿真生物繁殖进化过程中，全局随机下一代并寻求最优解的算法，模拟遗传、突变、杂交、自然选择等现象，获得最佳个体[4]。它具有高效，容易实现等特点，这些年来，应用多目标遗传算法计算多目标遗传问题越来越受到关注[5]。

3.1 选择设计变量

本文的设计变量包含：

P1：“Z”型件的下缘翻边宽度，初始设计值为15mm，设计范围为5-25mm；

P2：“Z”型件的高度，初始设计值为100mm，设计范围为50-120mm；

P3：“Z”型件的厚度，初始设计值2mm，设计范围为1-3mm。

3.2 设定约束条件

该问题的结构优化过程中的约束条件如下。

（1）强度约束如下，式中为最大等效应力，[]为允许的最大等效应力；

                           （1）

（2）刚度约束如下，式中是最大变形量，[]是允许的最大变形量；

                          （2）

3.3 优化结果2

基于ANSYS中应用MOGA算法的多次迭代收敛后，得到3组候选点，见表1。

表1候选设计点

通过分析比较每组候选点的尺寸，需要结合实际加工可行性进行分析，对设计点进行圆整修正处理，使得最后的设计尺寸便于加工。最终的设计尺寸中P1为5mm；P2为110mm；P3为1.5mm。

3.4优化结果对比分析

根据修正后的尺寸重新建立仿真模型进行仿真计算。结果显示，最大变形由原先的0.219mm变为0.121mm，这是因为优化后“Z”型件的下缘翻边宽度P1变小，该区域是变形最大的位置，随着宽度减小，最大变形量也变小。最大等效应力由15.966MPa变为19.73MPa，增加量较小，且在安全范围内，重量由0.7542kg下降至0.5657kg，重量降低了25％，减重效果明显。由此可见，通过参数化优化，可以使得“Z”型件轮廓的设计尺寸更加合理，从而实现轻量化。

4.结语

本文应用ANSYS的MOGA

算法对“Z”型件的设计尺寸进行参数化优化，使得“Z”型件重量减少25％，在不明显增加等效应力的前提下甚至还减小最大变形。可见，通过ANSYS的参数化优化，能够获得更优的设计尺寸，降低设计件重量，一定程度上减少了生产成本。

参考文献

[1]黄奔.飞机钣金件冲压成型工艺研究[J].工艺与技术,2022.

[2]杨毅,马海超,韩志杰.基于ANSYS的直升机吊挂挂钩结构分析与优化设计[J].机械工程与自动化,2024,(02):57-59+63.

[3]伍丹霞,马英成.基于ANSYS Workbench飞机有限元仿真分析[J].机械管理开发,2024,39(02):5-7+10.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2024.02.002.

[4]张程,贾宝柱,邹佳奇.基于多目标遗传算法的柴电混合动力船舶功率分配优化[J].计算机应用与软件,2021,38(03):26-31+58.

[5]魏秀然．基于多目标ＧＡ的灌区水资源优化管理系统设计与实现［Ｄ］．郑州：解放军信息工程大学，２００８．