一、项目介绍
长久以来，航空航天业一直引领着新技术走向实际应用的进程，这是因为它需要努力应对由法规和安全标准、高制造和运行成本以及全球竞争所带来的挑战。近年来，减轻飞机重量以改善性能以及降低燃油成本成为了航空航天工程设计工作的重点。航空航天领域的主要供应商之一SOGECLAIR aerospace 最近在探索发动机吊挂（将飞机发动机固定在机翼或机身上的关键部件）的新概念性设计。这种创新方法使用 OptiStruct以及叠层制造（ALM，也称作3D 打印）技术，并将拓扑优化融入其中。该项目使飞机重量减轻20%，部件数量减少97%，并且结构与传统结构一样坚固。
SOGECLAIRaerospace 隶属于航空航天业的主要工程合作伙伴和主要承包商 SOGECLAIR S.A. 集团。SOGECLAIRaerospace 在法国、西班牙、英国、德国、突尼斯和加拿大均设有办事处，拥有近 1,250 人的员工团队。公司善于倾听客户需求，并注重客户的技术和战略期望。公司提供配置管理、飞机结构、系统安装、机舱内饰、制造工程和设备等方面的咨询和管理服务。从研发阶段到产品供应均在SOGECLAIR aerospace 的业务范围之内。
SOGECLAIRaerospace 选择将创新作为其企业文化的核心。公司的创新中心于 2009 年投入使用，其作用是鼓励并促进创新和开发，从而产生新的工程设计方法和解决方案。
二、挑战
在减轻重量的同时保证安全性、减少燃油消耗并提高载荷是当今飞机行业的主要目标。设计、开发和制造等方面的挑战十分复杂。拓扑优化应用于设计流程的概念阶段，能够对给定负载和边界条件下特定设计空间内的材料布局进行优化，使生成的布局满足一系列指定性能目标。它能够替代耗时且昂贵的设计迭代，从而在节约时间和成本的同时改善性能。
优化结果展示出理想的几何形态，并且非常接近于增材制造部件的最终结构
1/8比例的 3D 打印模型，用于评估整个产品创建流程
根据优化结果进行了最终改进的发动机吊挂几何，准备进行叠层制造。与传统的开发和制造方法相比，可减轻约 20% 的重量
四、解决方案
SOGECLAIR aerospace 工程师使用 Altair Engineering 的 HyperWorks 软件套件来执行铸造仿真和优化任务。HyperMesh 和 HyperView 用作前、后处理器，而 FEA 求解器 OptiStruct 则用来进行优化。OptiStruct 会采用一般性方法来解决多约束优化问题。它提供多种不同的方法，会在执行拓扑优化（例如用以避免出现网格相关结果的最小元件尺寸控制，并可用于控制解决方案的复杂程度）时兼顾可制造性。叠层制造（即通常所说的 3D 打印）就是使用激光或电子束将粉末化的金属材料逐层堆叠，最终形成数字模具。叠层制造能够消除制造流程中许多传统约束，并能够生成复杂、精确设计的形状。它能够在组件内集成功能，从而减少所需部件数并缩短装配时间。叠层制造通常要比锻造或铸造等生产方法更加高效，因为它能够减少原材料（尤其是小产品系列或零部件的原材料）的浪费和消耗。此外，与许多传统的制造方法相比，它能够实现更高的设计自由度。为充分利用叠层制造的优势，对要打印的组件进行结构优化是十分重要的。此外，还必须在顾及制造约束的前提下对其进行整合，以便生成可制造的设计。
为实现多种功能，发动机吊挂的结构十分复杂。为将飞机发动机固定在机翼或机身上，吊挂在飞机结构、空气动力学和系统（例如液压、电子）要求等方面也发挥着重要作用。此外，它的结构设计还能够阻止发动机区域的火势蔓延到机翼。现如今，人们需要将体积更大、功能更强且热度更高的飞机发动机集成到飞机结构中。面对这种需求，传统的设计和制造方法已到达极限。因此，SOGECLAIRaerospace 寻求技术上的突破，以期实现理想目标。通常情况下，经过优化的组件所需材料更少，但与采用传统方法设计的组件一样坚固，这是因为优化的组件将每一份材料都用到实处。得益于叠层制造的灵活性和优势，采用复杂设计的优化部件可以投入实际制造。新发动机吊挂开发流程的第一步是目标的可行性研究，用以确定是否存在有效的解决方案。OptiStruct用于根据可用设计空间、已应用负载和其他边界条件来运行优化。优化约束由增材制造相关的制造约束进行补充。随后在CAD 工具中对生成的设计进行改进，并采用 OptiStruct 对最终设计再次进行数值验证。
按照此优化驱动设计流程，工程师可打造结构性强且更为轻便的设计，且设计速度要比传统设计流程快很多。与现有的传统吊挂设计相比，通过优化驱动流程进行的设计可将系统单元（主要是流体管道）集成到吊挂架构中，使这些单元成为结构系统的一部分并对整体强度进行增强。该项目的目标之一是以实际数值证明对高度复杂的大型（长5 米、宽 0.8 米、高 1 米以上）飞机结构架构设计进行拓扑优化的可行性。最终结果显示，即使在受到严重约束（涉及压力、尺寸、接触面、系统等方面）的结构中，也能显著减重20% 以上。此外，系统部件总数减少了 97%，从而节省了更多的时间和成本。
五、结论
HyperWorks 为SOGECLAIR aerospace 提供创新的精简开发环境，能够提高设计自由度、缩短开发周期并降低成本。该软件能够使工程师更大限度地减轻部件重量，同时兼顾部件要求（刚度、强度、螺栓负载等）和计划制造流程的约束。通过采用OptiStruct 的拓扑优化可在设计最初阶段探索创新概念，以便再次节省时间并改善性能。除了在CAD 工具中完成的几何重建之外，HyperWorks 套件还将整个优化流程包含在一个仿真环境中，从而提高工程师的效率并丰富其专业知识。