作者：佟剛劉同飛鄧揚晨
**：《中國科技縱橫》2023年第19期
【摘要】 介紹了拓撲優化和仿生學的特點，提出了一種利用msc patran建立機翼結構拓撲優化模型的步驟與方法，並通過對機翼結構拓撲優化和仿生學設計說明該方法的可行性和應用價值。
【關鍵詞】 拓撲優化機翼結構仿生學設計有限元 msc patran msc nastran
眾所周知，飛機的重量直接影響著飛機的各種效能，而結構優化可以大大降低結構重量，因此在航空領域針對結構優化展開了大量的研究[1]。機翼結構設計是在滿足結構強度、剛度、穩定性和製造加工等要求的同時，充分利用材料的特性達到減小機翼結構重量的目的[2]。伴隨著飛機效能的提高和研製週期的縮短，方案論證階段的結構布局設計變得越來越重要。
機翼結構布局優化可以明顯降低機翼的結構重量，因此對機翼結構開展布局優化是一項十分迫切和必要的工作。鄧揚晨提出一種多級優化策略，即首先採用拓撲優化手段求出機翼的最佳翼梁數目與位置，然後在拓撲優化結果的基礎上，利用尺寸優化進行詳細設計[3]。本文在這些研究的基礎上，提出一種可用於機翼結構布局設計階段的結構打樣設計與機翼結構布局優化設計。
首先，為拓撲層優化，採用拓撲優化手段得到機翼結構的大致翼梁數目與位置，然後在拓撲優化的基礎上，借鑑仿生學的應用，對機翼布局進行再設計。
1 機翼結構優化問題和仿生學描述
拓撲優化（topology optimization）是結構優化的一種。結構優化形式包括了尺寸、形狀、形貌和拓撲等方面。拓撲優化以材料分布為優化物件，通過拓撲優化，在特定的設計空間、載荷以及邊界條件的前提下，找到材料的最佳分布方案。
在最近的幾年裡，拓撲優化的概念引起了越來越廣泛的關注，而且已經形成了一些相對比較成熟的演算法。拓撲優化相對於尺寸優化和形狀優化，具有更多的設計自由度，能夠獲得更大的設計空間，是結構優化最具發展前景的乙個方面。拓撲優化主要分為連續體結構拓撲優化和離散結構拓撲優化兩個方面，兩方面都要依賴於有限元方法。
連續體結構拓撲優化是把優化空間裡的材料離散成有限個單元（殼單元或體單元），而離散結構拓撲優化是在設計空間內建立乙個由有限個梁單元組成的基本結構，然後根據演算法確定設計空間內各單元的去留，保留下來的單元即是構成最終的拓撲優化結果，從而實現拓撲優化。作為普通的結構設計人員來說，懂得結構拓撲優化的概念，了解一些拓撲優化的相關知識以及技能，已經成為行業的需要。
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