中航工业直升机设计研究所是中国航空工业集团公司成员单位，隶属中航直升机有限责任公司，是中国唯一从事直升机型号研制和直升机技术预先研究的大型综合性科研单位。直升机所以型号需求为牵引、以技术发展为目标，统筹规划直升机型号发展和核心技术的预先研究，引领中国直升机技术不断向世界先进水平迈进。
拓扑优化技术在飞行器结构概念设计阶段有着重要的应用，工程师通过OptiStruct 可以非常迅速的找到结构的最优传力路径；在拓扑优化的基础上再进行尺寸优化，就可以得到最优化结构。中航工业直升机设计研究所借助 Altair HyperWorks 平台，采用拓扑和尺寸联合优化方法对直升机接头进行优化设计。
该接头位于直升机尾部，材料为铝合金，主要用来传递直升机平尾的气动载荷。接头。原始设计采用两个接头组合起来扩散集中载荷。首先根据接头受载情况建立有限元模型，添加接头载荷工况，进行静力分析，检查模型的强度、刚度以及钉载是否满足要求。四种工况下最大应力分布情况及铆钉剪力如图 1 所示。
图 1 原始设计接头应力及铆钉剪力分布情况
首先将原先设计区域使用实体单元进行填充，确定设计区域与非设计区域，选择耳片连接区域的部分单元为非设计区域。优化变量为设计区域内实体单元的单元密度。建立好的优化模型如图 2 所示。
由拓扑优化的结果可以清晰的得到结构的传力路径。工程师在新的设计中将材料布置在传力路径上，提高材料的使用效率。按照拓扑优化得到的材料分布情况，重新进行结构设计。然后对新设计进行尺寸优化，计算各个部分最佳的设计尺寸。
单向渐变约束依靠函数响应实现，确定设计区域，如图 3 所示。优化空间的厚度渐变是指图中所示的 6 个属性的对应的厚度第 1 到第 6 厚度逐渐增加或逐渐减小，方便加工制造。未施加钉孔挤压约束前，优化后的计算结果显示最大钉载为4136.2N，当铆钉连接位置板厚达到最小 1.5mm 时，钉载为 4350N。最后，优化完成后在 HyperView 中查看计算结果。
从图 4 中发现，优化后厚度分布按照厚度渐变分布，中间到两侧逐渐变薄。原有设计总质量为 0.506kg，优化后新设计总质量为 0.224kg，减重 0.282kg，减重 55.7%。
图 3 厚度渐变区域
图 4 尺寸优化后厚度分布
利用 HyperWorks 软件平台，在满足各种设计要求的情况下，通过对接头进行拓扑优化和尺寸优化，得到了最佳的材料分布形式，缩短了设计时间，加快了研发进程，充分体现了 OptiStruct 软件在直升机结构设计中的强大功能。
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