基于混合拓扑与形状优化的飞机分体轮新型设计

为何更轻的飞机轮重要

每次飞机着陆时，轮胎接触跑道会承受巨大的力。用于测试飞机轮胎的试验轮必须更为坚固，因为它们面对的载荷超过了正常服役条件。这种额外的强度通常带来隐性代价：多余的金属、额外的重量和更高的成本。本研究探讨工程师如何重新设计一种特殊的分体飞机轮，使其在极端载荷下保持强度，同时减少近一半的材料。

试验轮的工作原理

研究对象是一种用于实验室测试飞机轮胎的两件式铝合金轮。该轮由高强度铝合金制成，分为内侧和外侧两半并通过螺栓连接，便于锻造、装配和更换轮胎。在试验平台上，轮胎和轮子会受到不同方向的压和推力，以模拟着陆时的垂直重载以及飞机转弯或侧风着陆时产生的侧向力。为了保证试验结果精确，即便轮胎在远高于典型服役条件下受到推动，轮子也必须仅发生极小变形。

理解作用力的传播

在改变设计之前，作者首先绘制了力从轮胎传递到轮子的路径。他们研究了两种极端情况：一种仅有垂直力，另一种在此基础上加入强侧向载荷。基于先前关于轮胎对轮圈接触压力的实验研究，他们描述了接触压力如何沿圈座和法兰分布。随后建立了细致的计算机模型并模拟在这些极端载荷下的响应。模型显示了应力集中的位置以及轮缘的弯曲量，确认了垂直与侧向联合加载是更为关键的工况。

雕琢合适的形状

获得这些洞察后，研究人员采用计算机引导的设计工具，在保持必要强度的同时去除不必要的材料。首先，他们应用了一种将轮廓截面视为材料密度可从实心到空洞变化的场的方法。算法逐步“稀化”对承载无大贡献的区域，并在力传递最有效的路径上保留较厚实体。这一步建议引入内部空腔并调整螺栓位置，以形成更均衡、更高效的结构。随后通过旋转优化后的截面并添加实际的螺栓孔，生成了新的三维轮模型。

细节的微调

接着，团队优化了具体尺寸，例如法兰和腹板的厚度、内部空腔的宽度以及减重孔的角度和位置。他们采用两阶段搜索策略：先用广泛的遗传搜索探索大量可能组合，再用更精确的数学方法收敛到最佳解。在此过程中，他们将模型中的两半轮合并以加快计算，并验证该近似仍能准确预测挠度。目标是在保持轮子弯曲低于试验中心严格限值的前提下，最小化材料体积。

新设计的成果

对优化后轮子的最终计算模拟表明，两种极端载荷工况下的应力均安全地低于铝合金的屈服强度。尽管局部安全系数低于原始“过度设计”的情况，但仍超过工程实践中普遍接受的值。在最苛刻载荷下的最大挠度仍在试验中心的容差范围内。最引人注目的是，与初始设计相比，轮子的总体材料体积减少了44.7%。通俗地说，该研究展示了如何通过精心塑造承载路径，使工程师在不牺牲安全性或刚度的情况下，从关键试验零件中削减近一半金属。

引用: Li, J., Zhang, X., Zhang, Y. et al. Novel design of an airplane split wheel based on the hybrid topology and shape optimisation. Sci Rep 16, 15777 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45544-8

关键词: 飞机轮, 轻量化设计, 拓扑优化, 有限元分析, 结构强度