轻量化是航空装备研发的永恒主题，随着航空飞行器的重量变轻，有助于实现更低的燃油消耗，提升飞行器航程，或提升飞机的装载能力，使飞机运营取得更为经济的效果[1]。但随着航空业界对飞行器轻量化的要求越来越高，传统的设计与制造方法在没有经过改良的情况下难以适应目前对飞行器的技术要求，难以保证飞行器的先进性，因此更加轻量化的设计和制造方法成为了飞行器开发的主要发展方向。
本文提出了一种高效的结构拓扑优化方法，总体技术路线如下[2,3]：（1）确定零件原始模型、成型材料以及接口孔和结合面特征；（2）初步确定零件减重目标；（3）根据零件载荷工况，对零件进行受力分析；（4）对零件进行结构拓扑；（5）判断零件是否满足减重目标，如不满足，重复步骤3~5；（6）对满足轻量化要求的零件进行校核；（7）根据零件结构特征，分析确定加工方案；（8）加工成型。
本文以运输机的后舱门与机身链接的铰链摇臂为例，根据以上拓扑优化方法对其结构进行优化，并根据拓扑优化后的结构特征提出相应的制造方案。如图所示，铰链摇臂的两端通过螺栓连接分别与运输机机身和液压尾板连接，因此拓扑优化设计空间为摇臂中间桥梁部分，两端结构保持不变。本次主要设计目标为减重，同时也要保证一定的安全系数，减重目标大于70%，且要求减重后的结构安全系数大于2。根据轻量化设计原则，本摇臂材料选用7075航空铝，对摇臂进行初步的受力分析，加载条件和计算结果如图所示，应力最大值为121.8MPa，应力最大处在摇臂与飞机机身的连接处，中间部分应力最低，有很大的优化设计意义。
图1 运输机的后舱门铰链摇臂
图2 铰链摇臂原始模型受力分析
在拓扑优化中，因设计目标为减重大于70%，所以设计目标暂定为保留设计空间的30%，拓扑优化的结果如图。为确定优化后模型是否符合设计要求，对第一次包覆结果进行了有限元分析，边界条件与初始分析条件一致，分析结果显示零件最大应力为185.3MPa，但零件仅减重68%，未到达主要优化要求，因此重复上述步骤。
第一次迭代中摇臂减重为68%，已接近设计目标（70%），因此第二次迭代设计目标定位为保留第一次迭代优化结果的设计空间的90%即可，其余优化参数不变。
为确定优化后模型是否符合设计要求，对第二次包覆结果进行了有限元分析，边界条件与初始分析条件一致。如图所示，分析结果显示，优化后摇臂的最小安全系数为2.14，满足设计要求，最大米塞斯应力为193.3MPa，零件重量0.9331kg，减重71%，满足所有设计要求。拓扑优化过程中不同阶段的零件属性如下表所示。
图3 拓扑优化后铰链摇臂及其受力分析
表1 优化过程中各阶段摇臂模型属性
对优化后的摇臂结构特征进行分析可知，零件为飞机关键零部件，且形状较为复杂，由较多的不规则曲面构成，使用传统的材料切削加工方法难以加工成型，且零件有较多不规则镂空结构，铸造难度也较大。因此，综上分析，本文采用激光选取融化（SLM）的3D打印加工方法，但由于3D打印零件孔隙率较大，削弱了零件的整体性能，因此在3D打印成型完成后使用热等静压的后处理方法消除零件内部微小孔隙，提升零件紧实度，进而提升零件的强度和刚度。
本文基于摇臂结构设计，进行拓扑优化分析和轻量化设计，优化后摇臂强度和安全系数均满足设计要求，摆臂质量由3.23 kg减至0.93 kg，减重约71.7%。拓扑优化可有效分析摇臂的最佳传力路径和材料分布，为轻量化优化提供合理的方向。
参考文献：
[1] 林朋右，汤荣传，王佳豪，廖才清，李嘉楠，林锦，俞雯婕. 基于拓扑优化的飞机襟翼支架轻量化设计. 机械管理开发. 2023,38(12)
[2]胡聪，郑雨，吴明峰，黄浩. 基于拓扑优化的汽车悬架控制臂轻量化设计及碳排放量化对比分析. 汽车电器. 2024(04)
[3]王小华，王伟. 基于拓扑优化的离心式压缩机底座轻量化设计[J]. 石油化工设备. 2024,53(03)