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原文原文来自来自 AIAA-2004-4641 原文原文来自来自 优化技术在新型军用运输机优化技术在新型军用运输机结构设计结构设计中的应用中的应用 优化技术在新型军用运输机优化技术在新型军用运输机结构设计结构设计中的应用中的应用 Gerd Schuhmacher （优化和细节分析部经理） Martin Stettner, Rainer Zotemantel, Owen O’Leary, Markus Wagner （优化和细节分析部成员） EADS Military Aircraft, Munich, Germany 摘要摘要 摘要摘要 拓扑和结构优化方法已经应用在 A400M 运输机后机身的开发上 。本文首先对实施在 EADS 军用运输机上的辅助优化设计方法作一概览，然后给出 A400M 后机身的优化模型和拓 扑优化结果。为了对 A400M 全部后机身确立一个最优的概念 ，拓扑优化方法应用到了系统 级别。而优化结果经过细节设计和优化后应用到飞机的内部支持结构以及单尾翼平面内的框 架细节设计上。 机身尺寸需要考虑柱屈曲问题。本文还说明了 LAGRANGE 方法优化程序在屈曲分析方 面的功能。并简要介绍了正在进行尺寸优化的 A400M 优化模型。 1 简介简介 简介简介 在过去几年 ，拓扑优化方法及应用经历了快速的发展。一些提供拓扑优化功能的商用程 序也已经开发出来 ，并主要应用于机械工程及汽车领域的结构优化。这些工具 已经证明了其 在确立复杂零件结构的最优传力路径和最优重量设计中的能力。巨大的减重潜能和相对易操 作的拓扑优化工具有力地支持了这些程序的快速传播。迄今为止，这些程序在航空领域的应 用相对有限。但随着拓扑学和结构优化方法在 EADS 军用机部门的不同项目上的应用，我们 已经取得很多正面的经验。A400M 军用运输机后机身从概念设计到预设计阶段的开发得到了 优化方法的支持。本文将讲述该项目的优化过程和获得的结果。 2 优化辅助设计过程优化辅助设计过程 优化辅助设计过程优化辅助设计过程 在慕尼黑 EADS 军用机部门应用的辅助优化设计过程如图 1 所示。该过程首先定义可 以 布置材料 的设计空间，包括内部边界和外部边界。对飞行器而言，设计空间一般定义为：由 空气动力要求而产生的外部边界以及由旅客、载荷、系统和其它功能要求所需空间产生的内 部边界。全部设计空间由相应的实体、板壳或其它有限元单元划分，并加载相应的设计载荷。 该有限元模型是拓扑优化的基础 ，用来决定最佳传力路径，并为最小重量设计提供一种定性 的拓扑线索。拓扑优化结果需要小心地诠释和转换进设计概念中，这需要在理论优化的材料 分布、制造工艺要求、屈曲以及其它设计约束之间达到一种妥协。概念设计结果的形状和尺 寸参数可继续使用结构优化方法进行优化。作为第二轮优化循环基础 ，必须生成一个有限元 模型和一个已经定义了设计变量和约束的优化模型 （设计约束包括应力 、屈曲、气弹效率等 ）， 见参考资料 1，3。定量结果 （组件尺寸 ）接下来将作为随后详细设计和验证过程的基础。最 终 ，优化结构将是可制造的。 1      1



 3 A400M 军用运输机后机身设计任务军用运输机后机身设计任务 军用运输机后机身设计任务军用运输机后机身设计任务 A400M 军用运输机后机身由外蒙皮、长桁和框架组成 （如图2 ）。 过 向外开的舷梯和 向内开的货舱门 （如图3 ），A400M 可装卸大型车辆及其它货物。舷梯前端铰接 ，货舱门在 后端铰接，靠近气密加强框处。最终结构要求在满足强度、疲劳、损伤容 限、屈曲和柱屈曲 等约束的条件下重量最轻。此外，要求舷梯和货舱门在飞行状态 以及严重阵风或机动载荷条 件下能够打开或