基于APDL的结构拓扑优化程序开发及在C919客机舱门铰链臂设计中的应用

摘要：为使结构在相同甚至更少质量下获得更大的刚度，并让设计过程更加科学和高效，根据拓扑优化技术利用APDL对ANSYS进行二次开发，并与基准算例比较验证该程序的有效性，实现结构的轻量化设计.将所开发的程序用于C919客机舱门铰链臂结构的最小柔度设计，获得比2种原始设计方案刚度更大的轻质拓扑构型，具有一定的实际参考价值.所开发的程序具有如下优点：适用于低阶单元，极大提升计算效率；可扩展到包括实体单元在内的各种单元类型，如梁、板和壳等，有效增加结构模型的应用范围；引入并实现FILTER技术以避免使用低阶单元优化时出现棋盘格现象；具有针对拓扑优化结果的有特色的后处理模块.

关键词： 客机； 舱门； 铰链臂； 轻量化设计； 最小柔度设计； 刚度； FILTER； C919

中图分类号： V229.4； TB115.2文献标志码： B

0引言

大飞机项目是以中国商用飞机有限责任公司为主体实施的，C919客机是其重要研制项目. 舱门设计是客机设计流程的重要环节之一，而作为舱门主要的承力结构，舱门铰链臂的结构设计甚为关键，其中一个重要问题是如何在不增加铰链臂质量的情况下使结构具有更高的刚度. 铰链臂具有较高的刚度意味着较小的结构总体变形，这对减小铰链臂上所悬挂的舱门在进行开启或关闭等低速动作过程中的定位误差有积极的作用. 本文利用拓扑优化技术进行舱门铰链臂的轻量化设计.

从建模的角度考虑，拓扑优化方法主要有均匀化方法、变密度法、泡泡法、渐进结构优化法、水平集方法和独立连续映射法等. 具体到优化算法，较常用的有准则法、局部近似算法（如序列规划法）、总体近似算法（如响应面法）以及不依赖于梯度信息的随机搜索算法（如遗传算法）等.[1]

变密度法[2]具有健壮性好、惩罚因子可调、概念简单、易于实现和计算效率高等优点，所以拓扑优化模型采用SIMP密度插值法. 对于优化算法，准则法实现简单、效率较高、在工程设计中应用广泛，本文选择应变能准则法[3]，以有效实现给定质量或体积约束下的结构最小柔度设计.

为将拓扑优化技术从理论转化为解决实际工程问题的有效工具，结合ANSYS，利用其APDL编程进行二次开发[45]，将自行发展的拓扑优化模块替代ANSYS内嵌的拓扑优化模块，解决ANSYS自带的拓扑优化模块计算效率低、单元类型受限和适用范围窄等问题，使其能够对各种实际的结构拓扑优化问题进行高效求解.