基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法，包括：根据目标主减速器上机匣结构内部和外部包络尺寸，建立主减速器上机匣的初始模型；进行上机匣轴对称截面的二维拓扑优化；第一阶段优化后，几何重构生成上机匣机匣体的三维模型，分别进行上机匣上部支撑筋板和下部支撑筋板的三维拓扑优化；在考虑铸造因素的基础上，依据第一阶段和第二阶段的拓扑构型，进行主减速器上机匣的几何重构，并对主减速器上机匣整体进一步进行结构优化设计

【技术实现步骤摘要】
基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法


[0001]本专利技术涉及一种直升机减速器装置，尤其涉及一种基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法
。

技术介绍

[0002]直升机减速器的主要功能是将发动机的功率和转速按直升机总体布局和性能要求，经主减速器内的齿轮传动链减速
、
换向
、
传输给旋翼
、
尾传动和主减速器附件
、
直升机附件，保证直升机升力系统及液压系统等的使用要求
。
其中减速器机匣是传动系统减速器的重要承力部件，为减速器内部的齿轮
、
轴承等转动件提供支撑，使它们之间保持正确的相互位置
。
同时承受旋翼系统
、
操纵系统和发动机载荷，并将其传递到机身平台上，是直升机传动系统中结构最复杂
、
受载情况最严重的关键零部件
。
因此，主减速器机匣结构不仅需要在有限的空间尺寸范围内布置主旋翼轴和主旋翼操纵机构的各类接口，同时也需要满足先进直升机高功重比
、
高功率密度的要求，实现重量轻
、
寿命长
、
性能佳的轻量化设计目标
。
[0003]对于直升机传动系统主减速器上机匣结构，传统结构设计是设计者根据设计要求，按照实践经验，参考类似的工程设计，确定结构方案；然后进行强度
、
刚度
、
稳定性等各方面的计算，如果不符合要求，再重新进行设计和分析，直到满足用户的要求
。
整个常规设计的过程是人工试凑和定性分析比较的过程，在常规设计中，也存在“选优”的思想，设计人员可以在有限的几种方案中，按照一定的设计指标进行分析评价，选择出较好的合格方案
。
这种设计方法周期长
、
效率低
、
成本高，而且由于常规设计方法受到经验
、
计算方法和手段等条件的限制，设计出来的结果仅是可行方案而不是最优方案
。
因此，常规设计方法只是被动的重复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数
。
[0004]拓扑优化是高于传统结构设计的一种主动和高效的优化设计方法，它的作用是在进行结构设计的初期为设计员提供一种高效率的结构设计工具
。
目前拓扑优化设计技术在国内航空用钣金零件
、
飞机耳片
、
飞机垂尾和直升机尾撑等结构设计上均有应用，但关于直升机减速器机匣的拓扑优化设计较少
。
[0005]万振华等人提出了“一种基于拓扑优化的直升机减速器机匣结构设计方法”(1002
‑
2333(2022)04
‑
0096
‑
04)
，采用基于拓扑优化的方法，通过对直升机减速器机匣进行拓扑优化
、
结构重构
、
结构优化，设计出轻质量
、
低应力的机匣，并建立了基于拓扑优化的直升机减速器机匣结构设计流程
。
[0006]但是该方案中主减速器机匣的拓扑优化设计直接从整体上进行拓扑优化，需要进行多次优化迭代，效率低，耗时长；且没有考虑旋翼操纵载荷对机匣载荷传递路径的影响，仅考虑了主旋翼轴的轴承载荷对机匣的影响，可能没有找到上机匣的最佳传递路径，该方法可能导致得到的拓扑优化结构不是最佳，机匣的性能也不是最优
。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：本专利技术旨在提供一种提高优化迭代效率
、
缩短设计周期同时提高结构
性能的基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法
。
[0008]技术方案：本专利技术所述的一种基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法，包括：
[0009](1)
根据目标主减速器上机匣结构内部和外部包络尺寸，建立主减速器上机匣的初始模型；
[0010](2)
提取主减速器上机匣的轴对称截面，设置主减速器上机匣的轴对称截面为拓扑优化的设计域，采用变密度法，以重量为目标函数
、
以应力和变形等为约束条件，进行上机匣轴对称截面的二维拓扑优化；
[0011](3)
第一阶段优化后，几何重构生成上机匣机匣体的三维模型，首先设置上机匣三维模型的上部支撑筋板区域为设计域，采用变密度法，以重量为目标函数
、
以应力和变形等为约束条件，进行上机匣上部支撑筋板的三维拓扑优化；
[0012]然后设置上机匣三维模型的下部支撑筋板区域为设计域，采用变密度法，以重量为目标函数
、
以应力和变形等为约束条件，进行上机匣下部支撑筋板的三维拓扑优化；
[0013](4)
在考虑铸造因素的基础上，依据第一阶段和第二阶段的拓扑构型，进行主减速器上机匣的几何重构，并对主减速器上机匣整体进一步进行结构优化设计
。
[0014]优选地，步骤
(2)
包括：
[0015](2.1)
提取主减速器上机匣的机匣体的轴对称截面，并建立轴对称截面有限元网格模型；
[0016](2.2)
施加约束和载荷边界条件；
[0017](2.3)
对主减速器上机匣的轴对称截面进行二维拓扑优化：选取主减速器上机匣的轴对称截面作为拓扑优化的设计域，选取上端主旋翼轴轴承位置
、
下端主旋翼轴轴承位置和安装边位置作为不可优化区域；选取主减速器上机匣的轴对称截面的重量作为拓扑优化的目标函数，选取主减速器上机匣的轴对称截面的体积
、
安装边位置的径向反作用力
、
上端主旋翼轴轴承位置的位移和应力
、
下端的主旋翼轴轴承位置的位移和应力作为拓扑优化的约束条件；
[0018](2.4)
提取主减速器上机匣的轴对称截面的拓扑优化构型，判断拓扑优化构型是否满足设计要求，如果不满足，则调整拓扑优化的约束条件，再次进行拓扑优化
。
[0019]优选地，步骤
(2.2)
所述约束为主减速器上机匣安装边位置的径向位移
、
周向位移和轴向位移；
[0020]所述载荷边界条件为在主减速器上机匣上端主旋翼轴轴承位置施加径向集中力载荷，在主减速器上机匣下端主旋翼轴轴承位置施加径向集中力载荷和轴向集中力载荷
。
[0021]优选地，步骤
(2.4)
所述主减速器上机匣的轴对称截面的拓扑优化约束条件包括：
[0022]体积
≤0.3V0；
[0023]安装边位置的径向反作用力
≤1.3F
R0
；
[0024]上端主旋翼轴轴承位置的径向位移
≤1.5U
1r0
；
[0025]上端主旋翼轴轴承位置的应力
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法，其特征在于，包括：
(1)
根据目标主减速器上机匣结构内部和外部包络尺寸，建立主减速器上机匣的初始模型；
(2)
提取主减速器上机匣的轴对称截面，设置主减速器上机匣的轴对称截面为拓扑优化的设计域，采用变密度法，以重量为目标函数
、
以包括应力和变形为约束条件，进行上机匣轴对称截面的二维拓扑优化；
(3)
第一阶段优化后，几何重构生成上机匣机匣体的三维模型，首先设置上机匣三维模型的上部支撑筋板区域为设计域，采用变密度法，以重量为目标函数
、
以包括应力和变形为约束条件，进行上机匣上部支撑筋板的三维拓扑优化；然后设置上机匣三维模型的下部支撑筋板区域为设计域，采用变密度法，以重量为目标函数
、
以包括应力和变形为约束条件，进行上机匣下部支撑筋板的三维拓扑优化；
(4)
在考虑铸造因素的基础上，依据第一阶段和第二阶段的拓扑构型，进行主减速器上机匣的几何重构，并对主减速器上机匣整体进一步进行结构优化设计
。2.
根据权利要求1所述的基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法，其特征在于，步骤
(2)
包括：
(2.1)
提取主减速器上机匣的机匣体的轴对称截面，并建立轴对称截面有限元网格模型；
(2.2)
施加约束和载荷边界条件；
(2.3)
对主减速器上机匣的轴对称截面进行二维拓扑优化：选取主减速器上机匣的轴对称截面作为拓扑优化的设计域，选取上端主旋翼轴轴承位置
、
下端主旋翼轴轴承位置和安装边位置作为不可优化区域；选取主减速器上机匣的轴对称截面的重量作为拓扑优化的目标函数，选取主减速器上机匣的轴对称截面的体积
、
安装边位置的径向反作用力
、
上端主旋翼轴轴承位置的位移和应力
、
下端的主旋翼轴轴承位置的位移和应力作为拓扑优化的约束条件；
(2.4)
提取主减速器上机匣的轴对称截面的拓扑优化构型，判断拓扑优化构型是否满足设计要求，如果不满足，则调整拓扑优化的约束条件，再次进行拓扑优化
。3.
根据权利要求2所述的基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法，其特征在于，步骤
(2.2)
所述约束为主减速器上机匣安装边位置的径向位移
、
周向位移和轴向位移；所述载荷边界条件为在主减速器上机匣上端主旋翼轴轴承位置施加径向集中力载荷，在主减速器上机匣下端主旋翼轴轴承位置施加径向集中力载荷和轴向集中力载荷
。4.
根据权利要求3所述的基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法，其特征在于，步骤
(2.4)
所述主减速器上机匣的轴对称截面的拓扑优化约束条件包括：体积
≤0.3V0；安装边位置的径向反作用力
≤1.3F
R0
；上端主旋翼轴轴承位置的径向位移
≤1.5U
1r0
；上端主旋翼轴轴承位置的应力
≤2.0S
10
；下端主旋翼轴轴承位置的径向位移
≤1.5U
2r0
；下端主旋翼轴轴承位置的轴向位移
≤1.6U
2z0
；
下端主旋翼轴轴承位置的应力
≤2.0S
20
；式中，
V0表示初始结构的体积；
F
R0
表示上机匣安装边位置的初始径向反作用力；
U
1r0
表示上机匣上端主旋翼轴轴承位置的初始径向位移；
S
10
表示上机匣上端主旋翼轴轴承位置的初始当量应力；
U
2r0
表示上机匣下端主旋翼轴轴承位置的初始径向位移；
U
2z0
表示上机匣下端主旋翼轴轴承位置的初始轴向位移；
S
20
表示上机匣下端主旋翼轴轴承位置的初始当量应力
。5.
根据权利要求1所述的基于拓扑优化布局的主减速器上机匣优化设计方法，其特征在于，步骤
(3)
包括：
(3.1)
建立主减速器上机匣的上
、
下支撑筋板拓扑优化区域的几何结构；
(3.2)
建立主减速器上机匣的三维有限元网格模型并进行网格划分；
(3.3)

【专利技术属性】
技术研发人员：刘星，朱如鹏，陈蔚芳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：