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　　民用飛機(jī)由于尺寸日趨增大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)備越來(lái)越精密，對(duì)設(shè)備的使用環(huán)境提出了越來(lái)越高的要求。但機(jī)載設(shè)備的日益精密和飛機(jī)載荷的日趨復(fù)雜成為一個(gè)影響飛機(jī)安全的重要矛盾。設(shè)備如果使用環(huán)境不能滿(mǎn)足要求，將導(dǎo)致設(shè)備錯(cuò)誤指令，甚至停止工作等不良后果，對(duì)飛行安全造成不同程度的影響。本文將以某飛機(jī)直接模式速率傳感器支架為例，來(lái)說(shuō)明如何使設(shè)備支架滿(mǎn)足安全要求的同時(shí)結(jié)構(gòu)**化。直接模式速率傳感器為飛行控制系統(tǒng)中的精密儀器，對(duì)飛行控制精準(zhǔn)度有較高的要求，在設(shè)備使用時(shí)即要滿(mǎn)足飛機(jī)過(guò)載要求，還要滿(mǎn)足一定的振動(dòng)環(huán)境要求。由于設(shè)備本身的改進(jìn)非常復(fù)雜，涉及到的技術(shù)也存在一定的瓶頸，所以綜合考慮研發(fā)費(fèi)用和時(shí)間，提出優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)以提高整體一階固有頻率的思路。
　　
　　本文在基本支架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)該設(shè)備的要求，不斷改進(jìn)初始設(shè)計(jì)，再利用OptiStruct優(yōu)化軟件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，最終得到一個(gè)令人滿(mǎn)意的設(shè)計(jì)結(jié)果。
　　
　　1 結(jié)構(gòu)建模
　　
　　1.1結(jié)構(gòu)形式
　　
　　該傳感器支架位于飛機(jī)前部電子設(shè)備艙底部，如圖1-1所示。在圖中標(biāo)明的FR6框和FR7框及一號(hào)長(zhǎng)桁和二號(hào)長(zhǎng)桁之間，分布有兩個(gè)支架（用黃色方框標(biāo)明），兩個(gè)傳感器分別固定在這兩個(gè)支架上，并且關(guān)于飛機(jī)航向左右對(duì)稱(chēng)。
　　
　　每個(gè)支架由頂部安裝板及四個(gè)連接擋板組成，為了提高剛度，將頂部安裝版和連接擋板的四周都進(jìn)行了一定程度的彎邊。在CATIA中建立模型，并且按照飛機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求，將鉚釘布置在所有板上。建立好的初始支架模型如圖1-2所示。
　　
　　
　　1.2仿真模型
　　
　　前部電子設(shè)備艙中的直接模式速率傳感器(DMRS)支架有限元建模主要部件有：DMRS設(shè)備及其支架、中央下壁板局部、機(jī)身框局部、底部中間連接角盒等。
　　
　　利用HyperMesh前處理軟件，將DMRS設(shè)備簡(jiǎn)化成一個(gè)集中質(zhì)量(conm2)單元，與支架之間用RBE2單元相連。DMRS支架采用SHELL單元模擬，支架五個(gè)組件之間的鉚釘連接用RBE2單元模擬，如圖1-3所示。
　　
　　周邊結(jié)構(gòu)包括蒙皮、機(jī)身框和底部中間連接角盒，采用SHELL單元模擬，支架與周邊結(jié)構(gòu)、蒙皮與框之間的鉚釘連接都是用RBE2單元模擬，如圖1-4所示。
　　
　　為了得到支架的局部模態(tài)，將整個(gè)模型的四邊節(jié)點(diǎn)施加固支約束。
　　
　　
　　1.3計(jì)算結(jié)果
　　
　　將模型提交Nastran進(jìn)行計(jì)算，得到支架局部一階模態(tài)，小于最小固有頻率要求，所以需要更改結(jié)構(gòu)以增加一階固有頻率。

　　
　　從一階模態(tài)結(jié)果的振型中可以看到，支架與兩側(cè)框相連接的地方相對(duì)剛度較弱，導(dǎo)致支架左右搖擺，故后期可以考慮增加支架與框相連接的擋板面積。
　　
　　2 修改結(jié)構(gòu)
　　
　　2.1**次修改結(jié)構(gòu)
　　
　　根據(jù)上面的結(jié)構(gòu)，增加支架與框連接部位的擋板面積，將其延長(zhǎng)到基本與蒙皮接觸的部位，如圖2-1所示。為了盡量減輕零件重量，將不在鉚釘連接部位的翻邊進(jìn)行斜坡處理。

　　
　　重新提交計(jì)算后，可以得到支架的一階局部模態(tài)，如圖2-2所示。結(jié)果較之前的結(jié)構(gòu)小幅提高了，且支架局部一階模態(tài)由左右搖擺變成上下振動(dòng)。由此可見(jiàn)，在支架兩側(cè)增加的擋板面積對(duì)結(jié)構(gòu)剛度起到了一定的作用。
　　
　
　　2.2第二次修改結(jié)構(gòu)
　　
　　由于**次修改結(jié)構(gòu)的支架一階局部模態(tài)變?yōu)樯舷抡駝?dòng)，可見(jiàn)在側(cè)向的剛度可能不足，所以將另一邊擋板加長(zhǎng)，使支架形成一個(gè)封閉的盒狀結(jié)構(gòu)。盒狀結(jié)構(gòu)的好處是在任何一個(gè)方向都提供較高的剛度，在理論上可以大幅提高結(jié)構(gòu)的剛性。
　　
　　另一方面考慮工藝流程和輕量化要求，在側(cè)板內(nèi)側(cè)開(kāi)一個(gè)不規(guī)則的橢圓孔，方便螺栓的安裝，也在一定程度上降低了支架的質(zhì)量，如圖2-3所示。
　　
　　
　　再次提交計(jì)算，可以得到支架的局部一階模態(tài)（即模型第二階模態(tài)），如圖2-4所示，較最早的結(jié)構(gòu)大幅提高。該結(jié)構(gòu)雖然目前沒(méi)有滿(mǎn)足該傳感器對(duì)于一階模態(tài)的要求，但是可以通過(guò)尺寸優(yōu)化增加板厚，進(jìn)而進(jìn)一步提高其剛度。
　　
　　
　　3 細(xì)節(jié)優(yōu)化
　　
　　3.1求解器
　　
　　OptiStruct是一個(gè)**優(yōu)化求解器，該求解器可以求解包括拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、自由形狀優(yōu)化等等。為了找到**壁厚尺寸，本文采用此求解器進(jìn)行尺寸優(yōu)化計(jì)算。
　　
　　3.2尺寸優(yōu)化
　　
　　首先，將原有的Nastran使用的bdf文件轉(zhuǎn)化為OptiStruct使用的fem文件。然后將盒狀支架所有板厚作為設(shè)計(jì)變量，把支架局部模態(tài)（即模型第二階模態(tài)）約束為目標(biāo)值以下，最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。需要注意的是，在該優(yōu)化中，所有板厚的初始值采用模型原初始值，而板厚范圍根據(jù)不同約束分為三個(gè)方案：
　　
　　
　　需要注意是，在方案三中，由于原屬性厚度初始值中存在超過(guò)3mm的值，違反軟件中的優(yōu)化規(guī)則，所以將方案三中所有初始值改變?yōu)?mm。
　　
　　經(jīng)過(guò)若干輪循環(huán)，最終所有的方案都不能收斂，計(jì)算結(jié)果第二階模態(tài)均小于目標(biāo)值。目標(biāo)函數(shù)的收斂曲線和二階模態(tài)的收斂曲線如圖3-3到3-5所示。
　　
　　
　　那么查看結(jié)果中屬于該支架的局部模態(tài)，發(fā)現(xiàn)方案一和方案二在十階模態(tài)內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)支架局部模態(tài)，十階模態(tài)中的**模態(tài)均已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)值，那么可知該支架已經(jīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。而方案三中支架的局部模態(tài)出現(xiàn)在整體一階模態(tài)中，不符合要求。
　　
　　那么，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性要求，綜合各方面的要求，選擇方案二作為最終優(yōu)化方案。原板厚和更改后的板厚如圖3-7所示。圖中頂部安裝版和四邊側(cè)板的厚度均有所增加，圓角處的厚度有一定程度的減少。按優(yōu)化方案二，板厚變化導(dǎo)致支架的最終質(zhì)量由0.64kg變?yōu)?.09kg，增加了0.45kg，而且大幅增加了支架局部一階模態(tài)。

　　4 結(jié)論
　　
　　本文主要介紹了某飛機(jī)前部電子設(shè)備艙中直接模式速率傳感器支架的設(shè)計(jì)及優(yōu)化流程，借助模態(tài)的CAE仿真，設(shè)計(jì)出一個(gè)滿(mǎn)足傳感器要求的支架結(jié)構(gòu)。
　　
　　首先，通過(guò)對(duì)最初結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析找到該支架與邊框相連的薄弱部位，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩面?zhèn)劝宓募訌?qiáng)。然后再次通過(guò)模態(tài)分析找到另一個(gè)側(cè)面的薄弱部位，對(duì)側(cè)板進(jìn)行了一定程度的延伸，最終確定了支架的外形結(jié)構(gòu)。**通過(guò)基于OptiStruct的尺寸優(yōu)化，找到**剛度性能時(shí)，零件各個(gè)特征面的厚度，從而最終確定支架尺寸。
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