飞机高能束增材制造结构研究.pdf

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1、王向明，崔灿，苏亚东，吴斌(航空工业沈阳飞机设计研究所，沈阳110035)【摘要】轻质高效、长寿命、多功能、低成本、快速响应制造是现代飞机结构技术的发展方向，但受限于传统制造技术，一些创新的结构存在“设计得出却造不出”的问题。高能束增材制造技术的发展为新概念结构工程的实现提供了契机。基于高能束增材制造技术，针对现代飞机结构特征需求，提出了大型整体化、梯度复合化和功能结构一体化等发展方向，创建了新概念构型，开展了设计与评定方法研究，提出了基于技术成熟度的工程化验证模式。关键词：增材制造；高能束；整体结构；梯度复合结构；功能结构；工程验证DoI：10．16080／j．issnl671—833x．2

2、017．10．016▲●王向明研究员，博导，航空工业沈阳飞机设计研究所项目总设计师，新型功能结构航空重点实验室主任，辽宁省增材工程技术研究中心主任，装备发展部先进制造技术专业组专家，国防973项目技术首席专家。研究方向为飞机先进结构快速响应设计／制造一体化技术。曾获国家技术发明一等奖、国防科技进步一等奖(2项)、航空报国金奖(3项)。授权发明专利10余项，出版专著4部．发表论文及重要研究报告70佘篇。16航空制造技术·2017年第10期现代飞机对结构技术的发展需求随着航空科技的迅速发展，面对不断提高的国防建设要求，战斗机的作战使命和性能指标在不断提升，具有更高的生存力、低可探测性(即隐身性能)

3、、超声速巡航、高机动性等成为新一代战斗机的主要发展方向【1】。飞机机体结构是航空武器综合系统的载体和平台，其自身既要承受和传递使用载荷，又要承载飞机各功能系统等，同时为飞行员和机载设备提供可靠的工作环境，其重要作用不言而喻。因此，机体结构是决定着飞机机动性、作战半径、隐身性能等指标的关键要素之一，为满足现代战斗机技战性能指标要求，力求机体结构轻质高效、长寿命、多功能、低成本、快速响应制造[1-210半个多世纪以来，随着战斗机设计思想的演变，在新技术的推动下，机体结构技术一直在发展，如大型整体壁板、大型锻件等的应用，这些新技术对于提高结构效率及结构疲劳性能发挥了一定的作用【3]。国外第四代飞机结

4、构开始大量采用新材料和新制造技术，如先进复合材料结构和高强、高韧、损伤容限型合金材料，结构件开始趋向整体化。但目前新技术的应用大都局限经典结构的等代替换，结构形式仍以传统的接头连接或板杆组合为主(图1)，例如F一22、F一35等，结构技术整体发展的幅度不大，已经趋于“经典”。可以说，通过结构精益设计和新材料、新工艺替换挖掘结构潜能，发展至今，效果已近极致，结构品质并未发生本质改善。尽管飞机型号在不断的跨代升级，但传统结构技术却极大地制约着飞机战术水平的提升，机体超重及开裂仍非常严重，国内外战斗机普遍超重8％～20％，达数百千克以上，如F一35A超重640kg，X一35超重2237kg；美国投人

5、3．5亿美元针对F一22的162架飞机进行抗疲劳结构改进。基于传统制造技术的飞机“经典”结构已出现技术瓶颈，难以克服，甚至达到“极限”状态。近年来，增材制造技术的发展为飞机结构技术的跨越性发展注入活力，为突破传统技术瓶颈提供了契机。幽噬二兰卫(a)主承力接头机械连接(h)组合壁板铆接、螺接图1传统结构形式Fig．1Traditionalstructurestyles高能束增材制造为结构技术创新发展提供技术支撑高能束增材制造技术主要包括以激光、电子束为热源的直接溶化沉积成形和选区熔化成形【4I，具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，是一种“变革性”的设计、材料、制造一体

6、化的先进技术【2’4。5】，可以突破传统制造技术束缚。以设计引导功能优先的最优化设计，从而实现结构设计制造理念的转变，尤其适合于飞机机体大型、高性能、复杂金属结构件和功能件的快速试制，为突破技术“极限”提供了可能，可制造出一些传统工艺无法实现的大型复杂整体结构和多种材料复合的梯度结构，甚至功能与结构融合的一体化结构。这不仅拓宽了飞机结构设计域，而且会促进结构设计创新和制造技术的发展，从而为突破飞机结构技术瓶颈提供了一条全新的技术途径口’6】，可突破传统制造技术瓶颈，实现结构技术的创新。基于高能束增材制造的飞机结构技术1大型整体化技术大型整体化结构是典型的轻量化结构。飞机传统金属结构，如焊接结构

7、、接头连接或板杆组合结构都存在着明显的弱点。焊接结构疲劳性能一般弱于母材，且制造过程中需要专用的焊接设备和夹具，焊接区域的性能及结构变形难以控制；接头连接或板杆组合结构零件数量多、结构整体重量大、疲劳薄弱环节多、制造周期长、成本高。相对于传统的接头连接或板杆组合结构，整体化结构可减少零件及紧固件数量、降低结构重量、提高结构件疲劳寿命、减少加工制造周期及成本等[7-8]o传统的整体结构一般采用锻造机