面向增材制造的飞行器结构优化设计关键问题.pdf

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1、面向增材制造的飞行器结构优化设计关键问题米朱继宏，何飞，张卫红(西北工业大学金属高性能增材制造与创新设计工信部重点实验室，西安710072)[摘要】围绕飞行器复杂结构整体构型研制的高性能、轻量化苛刻需求，着重介绍了面向增材制造的结构优化设计面临的系列关键问题以及相关研究成果。分别从面向增材制造的结构多承载环节整体优化建模与性能分析、整体结构多学科性能与功能综合设计方法、跨尺度结构一微结构性能表征与尺度效应的影响机理，以及增材制造工艺对整体结构件性能的影响机理和制造工艺约束4个方面，阐述如何从结构力学与工艺力学角度科学实现最优性能设计与先进增材制造技术的完美匹配与融合。关键词：增材制

2、造；整体结构设计；性能优化；制造工艺约束DoI：10．16080／j．issnl671．833x．2017．05．016朱继宏教授、博导．比利时列日大学航空航天技术实验室博士．翱翔青年学者，陕西省青年科技新星。机电学院科研副院长，金属高性能增材制造与创新设计工信部重点实验室副主任，主要从事飞行器结构轻量化与性能优化设计、结构系统动力学优化设计．面向增材制造的结构优化设计研究。*基金项目：国家自然科学基金项目(11432011：11172236)。16航空制造技术·2017年第5期新世纪以来，先进制造技术的发展极大地促进了我国航空航天技术与高端装备的进步，其中以增材制造为代表的整体结

3、构构型制造工艺正成为实现下一代航空航天飞行器结构系统轻量化、高性能和多功能研制的有力保障，也极大地促进了结构整体构型设计理论与方法的发展。在飞行器结构的研制过程中，结构的整体构型使结构主承力框架、次承力件和设备安装支架等承载环节实现整体化构造、一体化布局和紧凑性、轻量化构型设计，可最大限度地减少结构的工艺分离面，省去受限于制造工艺而添加的过渡辅助结构特征和连接件，大幅提高结构完整性。《飞机设计手册》⋯明确指出，大型复杂结构件，尤其是主承力结构件采用整体构型设计，不但可以减少零件数目、降低结构重量，而且飞机结构效率、承载性能和可靠性可成倍甚至数10倍提高，可以说结构整体构型是先进飞行

4、器设计与制造技术进步的重要标志之一。随着新型飞行器性能要求的不断提高，结构整体构型设计已经超越了传统的结构传力路径构造和承载的一体化范畴。当前，结构承载性能与防热、减振、降噪、电磁等多功能、多尺度、跨学科的一体化设计与制造显得越来越重要。近年来，作为整体结构构型设计的基础，以拓扑优化为代表的结构优化设计理论与方法在计算力学领域以及航空航天、机械工程应用中取得了长足的进步【1l，引发了创新设计方法的变革，其显著的工程应用效果成为众多学科领域的研究热点。然而，现有结构拓扑优化设计理论与方法仍然属于单一结构构型设计模式，在结构整体构型设计中通常只能采用结构拓扑和功能特征布局的串行设计方式

5、，即先通过拓扑优化确定结构构型，然后进行详细结构设计并在特定预留位置设计功能特征。这种顾此失彼的设计方式不仅无法体现从结构构型到功能特征以及从主承力框架到次承力件力学性能之间的耦合关系，而且难以实现系统刚度、质量等特性以及多学科功能的匹配协调设计，实际过程中往往需要添加辅助支撑和配重来补偿传力路径并调节系统质量分布，结果造成系统增重、承载性能下降，无法满足先进飞行器整体结构构型设计的力学性能与多学科功能要求。另一方面，受限于传统机械加工工艺，实际应用的结构优化设计仍然局限于零件级，如单个桁条、耳片接头、腹板等，未能充分发挥整体结构的优势。以某机型前机身舱段结构为例，结构承力框架、次

6、承力件和设备安装支架、薄壁加筋、工艺开口等功能特征的构型和布局设计为满足切削、钣金等机械加工工艺，需要制造100余个零件，通过数千个连接件将其组装在一起，不仅工艺复杂、周期长，需要冗长的协调和装配过程，而且分离面、结构连接件以及传统加工工艺导致结构严重超重。同时，零件加工和装配过程引起的结构超差、装配误差累积、连接薄弱环节和应力集中等问题极大地削弱了结构的完整性与承载性能。增材制造与结构整体设计的融合增材制造技术改变了产品的制造方式，是制造技术原理的一次革命性突破。此时，如何实现增材制造与结构整体构型设计的完美融合，是充分发挥增材制造的工艺优势，突破传统设计模式和加工工艺瓶颈、进一

7、步减轻结构重量、提升结构性能的关键(图1)。目前，先进结构设计与制造方法的深度融合已成为未来发展的重点方向。2012年2月美国公布的《先进制造业国家战略计划》正式将先进制造业提升为国家战略，提出建立“国家制造业创新网络”(NNMI)。在此体系下先后成立了“国家增材制造创新中心”(NAMII)和“数字化制造和设计创新中心”(DMDII)，从制造和设计两方面构建国家级研究平台。NAMII公布的技术路线图5个研究领域中首先即为“设计”；DMDII2014年11月发布了“Ar