[发明专利]一种基于拓扑优化的扭力杆轻量化设计方法

说明书

本发明提出了一种基于拓扑优化的扭力杆轻量化设计方法，涉及扭力杆技术领域，包括以下步骤：确定扭力杆结构并对其进行载荷环境识别，建立扭力杆力学模型，对现有扭力杆结构进行有限元分析，对现有扭力杆结构进行拓扑优化设计以得到优化结构，对优化结构进行有限元分析以获得优化结构的性能参数，对比现有扭力杆结构的性能参数和优化结构的性能参数，检验优化结构的性能参数是否大于现有扭力杆结构的性能参数，若否，重新考虑优化策略并调整参数进行优化，若是，则终止迭代；输出终止迭代后优化结构的性能参数和优化后的扭力杆结构；本发明能够简化扭力杆的结构设计过程，并提高了结构的轻量化性能。

技术领域

本发明涉及扭力杆技术领域，具体而言，涉及一种基于拓扑优化的扭力杆轻量化设计方法。

背景技术

一般而言，调节机构是提高航空发动机压气机喘振裕度的重要机构,该机构在结构上需要满足各转速下静子叶片不同调节角度的气动要求。扭力杆是调节机构中的重型部件，随着航空航天结构对结构质量要求极度苛刻，为此，就需要对扭力杆进行轻量化设计。

目前，市面上的扭力杆基本是由工程师经验进行设计而成，设计初期常通过结构对比的方法获得一般构型、再经过结构强度多次校核迭代的方式，得到扭力杆的结构形式。然而，这种利用其自身经验进行设计的方法的设计周期长，费时费力，同时很难考虑结构的重量，无法达到快速、轻量化的设计效果。基于此，提出一种基于拓扑优化的扭力杆轻量化设计方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于拓扑优化的扭力杆轻量化设计方法，其能够简化扭力杆的结构设计过程，并提高了结构的轻量化性能。

本发明的技术方案为：

第一方面，本申请提供一种基于拓扑优化的扭力杆轻量化设计方法，其包括以下步骤：

S1、确定扭力杆结构并对其进行载荷环境识别以得到关键载荷与边界条件；

S2、根据关键载荷与边界条件建立扭力杆力学模型；

S3、利用扭力杆力学模型对现有扭力杆结构进行有限元分析，以获得现有扭力杆结构的性能参数；

S4、利用扭力杆力学模型对现有扭力杆结构进行拓扑优化设计以得到优化结构，对优化结构进行有限元分析以获得优化结构的性能参数；

S5、对比现有扭力杆结构的性能参数和优化结构的性能参数，检验优化结构的性能参数是否大于现有扭力杆结构的性能参数，若否，重新考虑优化策略并调整参数进行优化，若是，则终止迭代；

S6、输出终止迭代后优化结构的性能参数和优化后的扭力杆结构。

进一步地，上述步骤S1包括：

S11、确定扭力杆结构以作为研究对象；

S12、根据结构的典型服役环境，对所述研究对象进行载荷环境识别以得到扭力杆结构的关键载荷和扭力杆与其他部件相连位置处的支反力；

S13、根据所述关键载荷和所述支反力确定扭力杆结构的边界条件。

进一步地，上述步骤S4中所述利用扭力杆力学模型对现有扭力杆结构进行拓扑优化设计包括：

划分扭力杆力学模型的可设计区域；

对划分好的可设计区域进行网格划分。

进一步地，上述步骤S4中所述利用扭力杆力学模型对现有扭力杆结构进行拓扑优化设计包括：

构建以最小化应变能作为目标函数、可设计区域体积分数小于给定值作为约束函数的拓扑优化模型；

根据拓扑优化模型，确定可设计区域优化参数；