众所周知，制造飞机时，制造大型零部件和处理复杂边界与载荷条件是一大难题。此外，飞机零部件的设计重点在于稳定性，而以应变能为基础的拓扑优化技术不能很好地解决一些屈曲问题。因此，将拓扑优化技术与尺寸和形状优化相结合可以取得良好的效果。

2003年，空客A380成功进行了试飞。这个项目是在Altair公司、Airbus公司和BAESYSTEMS公司三方技术人员的合作下，首次应用OptiStruct拓扑优化方法设计的一个航空部件。

下面我们一起来回顾一下，这个采用Altair OptiStruct为Airbus A380——世界上最大的飞机设计一组最优的机翼前缘肋的应用案例。

在民航工业中，轻量化设计和缩短周期是两个突出的问题。传统飞机设计已无法满足这种需求，必须将先进的计算机优化方法集成到所有部件设计中。2003年起，空客公司供应商BAESYSTEMS首次应用Altair优化工具——OptiStruct来设计轻量高效的航空部件。

最初的设计方案类似于一种硬剪切板，这种方案超出了设计重量标准的要求。因此，利用拓扑、尺寸、形状优化工具来设计和优化一个机翼上13个肋板的工作项目。这项工程的进展如此紧张，以至于这13个肋板的优化设计方案需要在一周内完成。

该工程项目产生了许多具有不同结构的肋板，它们达到了重量设计目标并且符合了优化设计中所有的应力和屈曲标准。到了2003年6月，这项设计方案已通过各种试验测试，在每架A380飞机上带来总减重达到500kg。

机翼前缘肋的拓扑优化

肋板的拓扑优化面临的首要问题在于如何让其与周围的结构相适应，包括机翼前缘的蒙皮、主翼盒的前杆和悬挂蒙皮，同时还要尽可能地模拟机翼前缘肋内部的空气压力载荷。

最终采用的优化方案是对每根肋单独进行优化，效果非常好。但拓扑优化对肋及相邻凸缘的刚度敏感度很高。虽然该问题采用传统拓扑优化方法，即将总变形能作为目标函数，但在此，总能涵盖的不仅是可设计区（即肋板）的能量，还包括通常被认为是不可设计区的肋凸缘部位的能量。

机翼前缘肋的尺寸优化和形状优化

具有最佳载路径的设计方案可根据拓扑优化结果确定 。将材料高密度区域作为结构，低密度区域则用孔来表示，这样拓扑优化设计结果类似于架结构。A380的设计者们也继续探讨设计方案，将架和剪切板混合使用。在桥架结构中心增加竖直硬板，为单面加工的胁板生成T型截面，双面加工的胁板生成十字型截面。根据这些方案建立有限元模型，然后进行尺寸和形状优化。在优化过程中，同时考虑应力和屈曲约束。

整个襟翼部分的重量减轻了 44%，减重达到 500kg；所有 13 根肋的设计方案在七个星期内递交，保证了设计进度；证明 Altair OptiStruct 可以成功地被集成到 Airbus 的设计工具和整体设计流程中；Altair 被授予 Airbus 的创新设计奖；A380 每英里每座的运行成本为 2.5 美分，比 B747 降低 20%。

Altair的OptiStruct是空客A380成功优化设计的关键。借助仿真技术的不断发展，OptiStruct已成为了世界领先的结构优化工具，并被广泛地应用于汽车、航空、航天、建筑等各个领域。通过OptiStruct的高效优化，可以在设计之初就考虑到材料、工艺、几何形状等多方面的因素，提高设计效率和产品质量。

同时，OptiStruct还提供了完善的后处理和可视化工具，能够对优化结果进行深度分析和评估，帮助工程师做出最佳决策。在未来，随着仿真技术的不断创新，在更多的领域中，OptiStruct有望继续发挥巨大的作用，为工程师提供更好的协作和决策支持。