“為減輕每一克重量而努力”是每個飛機設計工程師的工作信條。隨著對飛機動力性能及經(jīng)濟性的要求越來越高，工程師必須在滿足苛刻的設計要求的前提下;還要盡可能的減輕重量。此外，為了在設計的最初階段就能考慮零件的性能，從而使設計具有良好的基因，設計后期不出技術(shù)風險。并減少設計反復，工程師必須在概念設計階段就對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計。傳統(tǒng)的參考現(xiàn)有機型或者依據(jù)經(jīng)驗進行人工反復設計迭代的過程，已經(jīng)滿足不了新一代飛機結(jié)構(gòu)設計的需要。這就需要有新的技術(shù)來滿足飛機重量、性能和設計周期的苛刻要求。

　　在尋求和試用新技術(shù)的過程中，在汽車行業(yè)廣泛應用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已得到了各飛機制造商的認可，并逐漸在飛機設計中得到應用。特別是美國AItair公司的0ptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，更是被應用到了幾乎所有新一代飛機的設計中。取得了成功，獲得多個創(chuàng)新大獎，成為現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)設計不可缺少的工具。

　　OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法簡介

　　OptiStruct是一個以有限元法為基礎。面向產(chǎn)品設計、分析和優(yōu)化的有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，擁有全球最先進的優(yōu)化技術(shù)，提供最全面的優(yōu)化方法，包括拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及自由尺寸和自由形狀優(yōu)化。這些方法可以對靜力、模態(tài)、屈曲、頻響、疲勞等分析過程進行優(yōu)化，支持常見的結(jié)構(gòu)響應，包括質(zhì)量，慣量，靜態(tài)位移、應力、應變。模態(tài)頻率。屈曲因子，應變能，頻響位移、速度、加速度，疲勞損傷。復合材料失效因子，以及各響應量的組合等。其穩(wěn)健高效的優(yōu)化算法允許在模型中定義上百萬個設計變量和設計約束。此外。OptiStruct提供了豐富的參數(shù)設置，包括優(yōu)化求解參數(shù)和制造加工工藝參數(shù)等。方便用戶對整個優(yōu)化過程進行控制.確保優(yōu)化結(jié)果便于加工制造，從而極具工程實用價值。

　　利用OptiStruct進行飛機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，不但可以取得明顯的減重效果，而且還具有以下兩個優(yōu)點：一是，零部件傳力路徑合理，應力分布均勻，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)能夠在給定的設計空間找出最佳的傳力路徑，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最佳尺寸，使得零部件能夠以最佳的材料分布去承受各種載荷，從而應力分布均勻，抗疲勞性能良好。二是，提高設計效率，縮短設計周期。基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進行設計，能大大減少人工設計的反復迭代過程，從而加快設計過程。例如，波音基于OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進行B787前緣翼肋設計，相比B777前緣翼肋的設計流程，設計工作量和設計時間減少了50%以上。

　　OptiStruct在飛機結(jié)構(gòu)設計中的成功案倒：

　　optiStruct在飛機設計中的成功應用始于空客A380的前緣翼肋設計，隨后被各大飛機制造商應用于各研發(fā)中的機型。

　　案例一：A380前緣翼肋設計

　　作為世界上最大的飛機，A380對每個零部件的重量要求是非常苛刻的。英國宇航公司(BAE。A380前緣翼肋的供應商)采用傳統(tǒng)設計方法設計出來的前緣翼肋不能滿足重量指標，于是與Altair公司英國分公司合作，采用拓撲優(yōu)化、尺寸和形狀優(yōu)化的方法，在11個星期內(nèi)成功設計出創(chuàng)新的、輕量化的前緣翼肋，總計減重達500公斤。

　　案倒二：B787前緣一肋設計

　　波音公司于2003年開始評估各商用結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，最終也選擇了Altai r OptIStruct。隨后OptiStruct被大量應用于B787的零部件優(yōu)化減重，從前緣翼肋到貨艙門，從金屬接頭到復合材料平尾，數(shù)百個零部件得到了優(yōu)化，累計減重達上千公斤。

　　例如，B787前沿翼肋同樣采用了拓撲優(yōu)化、尺寸和形狀優(yōu)化的設計方法，最終得到了桁架式的輕量化設計。以其中一個翼肋為例，其最終設計重量為6磅，而相對應的B777飛機前緣翼肋重量為10磅。通過統(tǒng)計得出，優(yōu)化后各個翼肋相比B777飛機相應翼肋的重量減少了25%到45%。

　　案倒三：A41ⅪM復合材料貨艙門設計

　　A400M是歐洲新一代的軍用運輸機，降低自身重量，提高貨物載重量是設計的重要目標之一。EADS采用OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重技術(shù)，對后機身多個機身框以及貨艙門進行了優(yōu)化設計，取得了約15%的減重效果。

　　在貨艙門設計中，EADS對鋁合金邊梁和碳纖維增強樹脂復合材料門板進行了尺寸優(yōu)化，鋪層裁剪形狀優(yōu)化和鋪層數(shù)量優(yōu)化，得到了輕便結(jié)實的結(jié)構(gòu)。

　　除了零部件級別的優(yōu)OptiStruct還被應用于機身與機翼的布局優(yōu)化。例如，空客公司在設計A350初期就利用OptiStruct技術(shù)對后機身進行了全新的概念設計，相比A330設計取得到了減重15%，并且整體應力分布更為均勻的結(jié)果。

　　OPtiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在飛機設計中的應用已經(jīng)非常成熟，在飛機結(jié)構(gòu)減重設計方面取得了大量工程成果，并能提高結(jié)構(gòu)性能和設計效率。是現(xiàn)代飛機設計不可缺少的技術(shù)，國內(nèi)多家飛機設計研究所都已經(jīng)引進該技術(shù)，并開始應用在各種飛機型號設計中，也必將提高我國的飛機結(jié)構(gòu)設計水平。