高速飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及增材制造研究進展

來源：《空天防御》2023年第2期
作者：丁曉紅、張橫、沈洪，參考文獻見論文原文

高速、遠射程/長航程、強機動性是武器、飛機和空天往返飛行器等重大航空航天裝備的發(fā)展趨勢，這些性能對飛行器結(jié)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量提出了更嚴格的要求。采用多功能集成的先進結(jié)構(gòu)，不僅能達到減重目的，還能減少飛行器結(jié)構(gòu)的制造裝配環(huán)節(jié)，減少飛行器失效概率。針對高速飛行器的強機動性、遠射程/長航程等性能需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求如下。

1） 極致輕量化：在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，采用點陣、蜂窩、夾層等高剛輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合增材制造，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的極致輕量化。

2） 功能一體化：高速飛行器工作在高度復雜的熱聲振耦合環(huán)境下，將不同功能的零部件集成到單一構(gòu)件上，減少工藝分離面與連接結(jié)構(gòu)，對飛行器的小型化和輕量化至關(guān)重要。

3） 可制造性：傳統(tǒng)制造方法已很難滿足多功能、多材料、高復雜度結(jié)構(gòu)的制造，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)使這些復雜結(jié)構(gòu)的制造成為可能，但仍有一定的加工限制，需考慮多種制造工藝約束的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

傳統(tǒng)的自下而上的“校核式設(shè)計”流程已很難滿足這種高性能、輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求。近年來，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、仿生設(shè)計等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法與增材制造技術(shù)的融合，不僅使飛行器關(guān)鍵零部件的設(shè)計制造一體化技術(shù)飛速發(fā)展，而且已成為先進飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要手段。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在一定的約束條件下，通過改變結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，以達到節(jié)約原材料或提高結(jié)構(gòu)性能的一種設(shè)計方法。拓撲優(yōu)化和仿生設(shè)計作為兩種先進的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，為多功能集成結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了實現(xiàn)的可能性；增材制造為具有復雜構(gòu)型的功能結(jié)構(gòu)制造提供了可能性。通過將拓撲優(yōu)化、仿生設(shè)計與增材制造技術(shù)融合，重新設(shè)計零件的形狀和功能，并使其適應(yīng)增材制造工藝要求，最大限度地發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢，實現(xiàn)先進功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造一體化，是推動飛行器結(jié)構(gòu)向小型化、輕量化、高性能發(fā)展的重要手段。

結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化可以不受結(jié)構(gòu)初始構(gòu)型的限制，在設(shè)計域內(nèi)自主生成新的孔洞或連接，通過尋優(yōu)得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，充分發(fā)掘結(jié)構(gòu)和材料潛能的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。增材制造技術(shù)通過空間增材方法實現(xiàn)成型，其自由制造工藝特性使得跨尺度、多層級、具有高度復雜幾何形狀構(gòu)件的制造成為可能。將拓撲優(yōu)化與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)計制造的融合，突破了傳統(tǒng)尺寸/形狀優(yōu)化、等材/減材的制造要求，擺脫了傳統(tǒng)機械加工刀具可達性、拔模約束等工藝限制，極大地拓展了復雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造空間，實現(xiàn)超輕質(zhì)、多尺度、高性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

自然界經(jīng)過億萬年的繁衍更迭、優(yōu)勝劣汰，進化出豐富的材料、結(jié)構(gòu)和形態(tài)，具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)強度和剛度等功能特性。現(xiàn)代分析表征技術(shù)已證實，天然材料的優(yōu)異性能或特殊功能，依靠其內(nèi)部復雜的多層次結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其尺度范圍通常橫跨納米尺度到宏觀尺度。基于生物靈感的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，是創(chuàng)新增材制造結(jié)構(gòu)的重要途徑之一，并有望實現(xiàn)增材制造結(jié)構(gòu)性能/功能的躍升。

本文針對高速飛行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求，從研究方法和分類應(yīng)用的角度，分析和總結(jié)近年來結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、仿生設(shè)計與增材制造技術(shù)在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)研究，為新一代高速飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。


1 面向增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程

融合增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程如圖1所示，包括如下步驟：

圖1　面向增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程

1） 基于原模型建立結(jié)構(gòu)設(shè)計空間，根據(jù)設(shè)計需求，劃分設(shè)計域和非設(shè)計域，建立設(shè)計模型；

2） 基于拓撲優(yōu)化、仿生設(shè)計等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)進行概念設(shè)計，得到初始構(gòu)型；

3） 基于概念設(shè)計結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)的三維幾何模型（CAD模型）；

4） 對CAD模型中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸和形狀進行優(yōu)化設(shè)計，得到詳細設(shè)計結(jié)果；

5） 增材制造前處理，包括STL（Stereolithography）模型生成、切片處理、打印方向確定和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計等；

6） 增材制造后處理，包括粉末清除、去應(yīng)力退火、支撐去除、拋光、精加工等；

7） 對增材制造部件進行實驗驗證。

2 創(chuàng)新設(shè)計方法在飛行器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

近年來，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法基礎(chǔ)理論的不斷完善，以及計算機仿真計算能力的不斷提升，國內(nèi)外學者積極開展拓撲優(yōu)化、仿生設(shè)計與增材制造技術(shù)在飛行器領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造一體化方向取得了很多具有代表意義的研究成果，推動了飛行器領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展。已規(guī)劃和實施的增材制造項目表明，設(shè)計制造融合技術(shù)在飛行器設(shè)計制造領(lǐng)域顯示出重要的發(fā)展價值和應(yīng)用潛力，其在航空航天工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用份額已占全部應(yīng)用領(lǐng)域的10%以上。下面分別從全機結(jié)構(gòu)、舵翼面結(jié)構(gòu)、發(fā)動機相關(guān)結(jié)構(gòu)、支架和隔板等承載結(jié)構(gòu)4個應(yīng)用方面進行綜述。

2.1 全機結(jié)構(gòu)

在全機結(jié)構(gòu)方面，空客公司提出了基于增材制造設(shè)計（design for additive manufacturing，DfAM）理念的“透明客機”設(shè)計概念方案，從弧形機身到仿生結(jié)構(gòu)，再到能讓乘客一覽藍天白云的透明蒙皮，打破了傳統(tǒng)制造方法的桎梏。根據(jù)空客公司公布的計劃，這架夢幻飛機將在2050年變成現(xiàn)實，屆時，整個生產(chǎn)車間就是一臺巨型3D打印機，整個機身都由3D打印制造完成。2019年7月29日，蘇霍伊設(shè)計局公布了經(jīng)過拓撲優(yōu)化設(shè)計后的蘇-57理論結(jié)構(gòu)模型。蘇-57是俄羅斯的第五代戰(zhàn)斗機，該機型的拓撲優(yōu)化模型很可能代表著蘇-57戰(zhàn)斗機的終極形態(tài)，其在推重比、機動性、超巡和航程等方面都有長足進步。為了減輕空間發(fā)射裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如級間段和錐形適配器等）的質(zhì)量，Vasiliev等通過技術(shù)開發(fā)并應(yīng)用了Anisogrid復合殼體結(jié)構(gòu)。Anisogrid復合殼體結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，能夠承受較高壓縮載荷，極大地減輕了部件質(zhì)量，節(jié)約了成本。Totaro等針對Anisogrid復合殼體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并采用基于機器人的增材制造工藝進行制造，如圖2所示。美國NASA蘭利研究中心對戰(zhàn)神5號重型貨物運載火箭的級間段結(jié)構(gòu)進行了輕量化設(shè)計研究，分析了6種初始概念的模型，通過對比，最終確定基于仿生設(shè)計的蜂窩級間段結(jié)構(gòu)擁有最優(yōu)異的性能。中國空氣動力學研究與發(fā)展中心提出了一種基于條件Wasserstein GAN-GP （WGAN-GP）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks，CNN）、多任務(wù)學習混合專家（MMoE-3D）和差分進化算法（differential evolution algorithm，DE）的優(yōu)化框架。通過對壓力中心變化率和升阻比進行優(yōu)化，驗證了所提優(yōu)化框架的有效性。與傳統(tǒng)的DATCOM優(yōu)化相比，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化框架在更短時間內(nèi)獲得了幾乎相同的測試結(jié)果。華中科技大學學者針對飛行器承載構(gòu)型開展拓撲優(yōu)化研究，在保證飛行器結(jié)構(gòu)指標滿足約束的情況下，飛行器機身質(zhì)量由3.054 t 降至1.947 t，一階固有頻率由293 Hz 提高到515 Hz，如圖3所示。北京空間飛行器總體設(shè)計部研制了國際首個增材制造全三維點陣整星結(jié)構(gòu)，并隨千乘一號衛(wèi)星成功發(fā)射，如圖4所示。

圖2　Anisogrd復合殼體設(shè)計與制造

圖3　導彈結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計

圖4　整星結(jié)構(gòu)優(yōu)化及增材制造

2.2　舵翼面結(jié)構(gòu)

在飛行器舵翼面結(jié)構(gòu)方面，Walker等基于拓撲優(yōu)化，對飛行器翼面結(jié)構(gòu)的肋部以及蒙皮厚度進行優(yōu)化設(shè)計。隨后，基于增材制造技術(shù)實現(xiàn)了翼面結(jié)構(gòu)的制造，如圖5所示。Aage等對波音777客機的機翼進行了設(shè)計優(yōu)化，與原有機翼相比，優(yōu)化結(jié)果其質(zhì)量輕2%~5%，減重200~500 kg，使用該機翼的飛機每年可節(jié)省40~200 t燃油。由于優(yōu)化設(shè)計得到的方案過于復雜，傳統(tǒng)制造技術(shù)暫時無法應(yīng)用，理論上只有通過一臺足夠大的3D打印機才能制造如此復雜的仿生結(jié)構(gòu)，但該仿生設(shè)計方案對飛機輕量化設(shè)計探索具有重要意義。候政等結(jié)合拓撲優(yōu)化技術(shù)，對導彈升力面結(jié)構(gòu)顫振抑制設(shè)計進行研究，并進一步將該技術(shù)應(yīng)用于導彈折疊舵結(jié)構(gòu)顫振抑制設(shè)計中，獲得比原始設(shè)計方案顫振臨界速度更大的折疊舵結(jié)構(gòu)。美國馬里蘭大學研究人員采用3D打印，開發(fā)了一種魚骨仿生可變彎度機翼結(jié)構(gòu)，該機翼由魚骨狀內(nèi)部骨架和柔性蒙皮構(gòu)成，可實現(xiàn)連續(xù)光滑變形，研究人員利用3D打印方法，將FishBAC骨架、蒙皮內(nèi)部的蜂窩狀子結(jié)構(gòu)、抗撕裂層和蒙皮表面整體打印出來，如圖6所示。該魚骨仿生結(jié)構(gòu)變彎度機翼，從翼根到翼尖只有42 cm，但結(jié)構(gòu)細節(jié)卻非常完整，尺寸縮小降低了成本和打印時間；對試件進行風洞試驗，試驗中風速達到24 m/s，原理樣機實現(xiàn)了預(yù)期變形，同時結(jié)構(gòu)未發(fā)生顫振，試驗證明了將魚骨仿生結(jié)構(gòu)用于變彎度機翼的可行性。朱繼宏等將仿生結(jié)構(gòu)的概念引入飛行器舵面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，分布合理的Y形分支結(jié)構(gòu)可以很好地實現(xiàn)承載功能；同時，通過數(shù)值模擬和拓撲優(yōu)化，討論了Y形分支分布對結(jié)果的影響；將Y形分支作為一種特殊的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，同時進行特征驅(qū)動優(yōu)化，建立了仿生設(shè)計流程；最終設(shè)計出一種典型的飛行器方向舵結(jié)構(gòu)，并采用立體光刻增材制造技術(shù)進行了制造；與傳統(tǒng)設(shè)計相比，仿生優(yōu)化的剛度和強度均提高了20%以上，如圖7所示。鄭昌隆等基于自適應(yīng)成長法，對舵面內(nèi)部的骨架分布進行了仿生拓撲優(yōu)化設(shè)計，并進行了增材制造驗證，如圖8所示；相比初始的舵面設(shè)計方案，優(yōu)化所得骨架構(gòu)型在使舵面結(jié)構(gòu)一階固有頻率提升11%的同時，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重21.5%，驗證了舵面骨架仿生拓撲優(yōu)化設(shè)計的高效性。

圖5　面向增材制造的翼面結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

圖6　仿生魚骨主動變彎結(jié)構(gòu)及風洞實驗

圖7　基于Y形分支特征飛行器方向舵結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計

圖8　基于自適應(yīng)成長法的舵面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計

2.3　發(fā)動機相關(guān)結(jié)構(gòu)

在發(fā)動機相關(guān)零部件方面，美國Cobra Aero公司將3D打印技術(shù)應(yīng)用于替換無人機發(fā)動機的氣缸鑄件。原始的發(fā)動機零件帶有散熱片，幫助運行中的電動機散熱和冷卻。通過改進設(shè)計，放棄散熱片結(jié)構(gòu)并選擇了基于點陣的冷卻策略，最終的氣缸設(shè)計與原始結(jié)構(gòu)完全不同，在提供更好冷卻效果的前提下減輕了裝置的質(zhì)量，如圖9所示。2016 年3月18日，美國海軍“三叉戟”ⅡD5洲際彈道導彈在飛行試驗中，首次采用了3D打印導彈連接器后蓋，該導彈部件由洛克希德·馬丁公司制造，該公司采用全數(shù)字化流程，設(shè)計和制造了該新部件，較傳統(tǒng)方法節(jié)省了一半時間。連接器后蓋用于保護導彈內(nèi)部的線纜集線器，采用鋁合金材料，長2.5 cm，如圖10所示。2022年3月中旬，美國成功測試一枚由洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的高超聲速巡航導彈，該導彈從B52轟炸機上發(fā)射，以大于5 馬赫的速度飛行，飛行高度>19 812 m，飛行距離>482.8 km；該導彈由Aerojet Rocketdyne超燃沖壓發(fā)動機提供動力，該發(fā)動機結(jié)構(gòu)使用3D打印技術(shù)制造，如圖11所示，其零件數(shù)量相比此前乘波者X-51A飛行器的發(fā)動機零件減少了95%。通過使用創(chuàng)新的制造技術(shù)和材料，不僅提高了產(chǎn)品性能，還大幅降低了成本和開發(fā)時間。美國雷神科技公司（原UTC聯(lián)合技術(shù)公司）開發(fā)了一種新的燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器區(qū)段的冷卻燃料噴射器系統(tǒng)，并通過增材制造技術(shù)進行制造；該系統(tǒng)部件內(nèi)部包含了血管工程（vascular engineered structure lattice，VESL）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)置在燃料噴射器系統(tǒng)部件的壁之間，由空隙圍繞，使第二冷卻流體圍繞VESL結(jié)構(gòu)的節(jié)點和分支通過，如圖12所示。

圖9　Cobra Aero公司增材制造的點陣缸體結(jié)構(gòu)

圖10　增材制造鋁合金連接器背殼組件

圖11　超燃發(fā)動機再生冷卻薄壁夾層結(jié)構(gòu)

圖12　VESL結(jié)構(gòu)發(fā)動機冷卻燃料噴射器結(jié)構(gòu)

2.4　支架、隔板等承載結(jié)構(gòu)

在支架等承載結(jié)構(gòu)方面，歐洲宇航局（ESA）聯(lián)合瑞士RUAG公司和美國Altair公司開發(fā)了一套新的支架系統(tǒng)，用于“哨兵-1c”和“哨兵-1d”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中。開發(fā)者使用拓撲優(yōu)化技術(shù)對支架結(jié)構(gòu)進行概念設(shè)計，然后通過增材制造技術(shù)進行生產(chǎn)。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，新型支架結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了40%，通過了航空領(lǐng)域的綜合性能測試。空客公司聯(lián)合西班牙先進航空航天技術(shù)中心（CATEC）對“織女星”火箭連接支架進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計及增材制造，在保證剛度不變的情況下，其質(zhì)量減小了約50%。Hayduke等將拓撲優(yōu)化、增材制造與鑄造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對某導彈結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計及制造。ESA聯(lián)合弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所（IWS）和空中客車公司（Airbus）開發(fā)了一種混合增材制造技術(shù)，將激光金屬沉積（laser metal deposition，LMD）的高靈活性與低溫加工的精確性相結(jié)合，用于制造大型鈦合金部件，其直徑為1.5 m的反射鏡支架結(jié)構(gòu)如圖13所示�？湛凸�司研發(fā)人員基于生物啟迪實現(xiàn)了跨尺度仿生點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計：在宏觀尺度上，基于“黏菌自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”算法實現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計；在微觀尺度上，該構(gòu)件借鑒了骨骼生長的生物靈感，完成了超過66 000個網(wǎng)格的排布，實現(xiàn)了微觀網(wǎng)格稠密度與應(yīng)力分布相匹配。最終，使該跨尺度仿生點陣構(gòu)件較原蜂窩復合材料隔板結(jié)構(gòu)在相同沖力下（9 g的重力加速度）的位移減少了8%（9 mm）。在成形工藝上，該構(gòu)件采用112個部件組裝而成，相較于原蜂窩復合材料隔板構(gòu)件減重45%（30 kg），可使空客公司每年節(jié)省465 000 t二氧化碳排放量，并有望將此設(shè)計批量化應(yīng)用于A320客機上，設(shè)計結(jié)果如圖14所示。我國2019年發(fā)射的嫦娥四號中繼衛(wèi)星“鵲橋”上的動量輪支架，采用增材制造技術(shù)加工完成，減重50%。Jiang等基于拓撲優(yōu)化方法對導彈發(fā)動機支架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并進行了3D打印及試驗驗證，如圖15所示。結(jié)果表明，在保證性能的前提下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小了11.06%，同時3D打印技術(shù)大大縮短了開發(fā)周期。Li等提出一種基于彈體結(jié)構(gòu)的布置方案和參數(shù)模型，實現(xiàn)彈體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計、建模和自動調(diào)整的方法，開發(fā)了彈體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計模塊，實現(xiàn)了彈體結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計、自動調(diào)整，以及質(zhì)量、重心等數(shù)據(jù)的自動計算和更新。倪維宇等提出阻尼復合結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，對某航天器安裝板阻尼材料分布進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后復合結(jié)構(gòu)的動力學性能顯著提高。許煥賓等基于“功能優(yōu)先”原則，借助solid Thinking Inspire軟件，對支架的傳力路徑進行優(yōu)化分析，再結(jié)合3D打印技術(shù)，采用高剛、高強的輕質(zhì)柵格夾層殼結(jié)構(gòu)，通過徑向、軸向、周向的變厚度設(shè)計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載比為4%的輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)。Shi等基于熱彈性拓撲優(yōu)化，對某航空支架進行優(yōu)化設(shè)計并增材制造，在滿足設(shè)計約束條件下，質(zhì)量減小18%。張嘯雨等發(fā)展了基于蒙皮點（moving morphable component，MMC）的拓撲優(yōu)化方法，完成了面向增材制造的中國空間站某相機支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，該結(jié)構(gòu)采用激光選區(qū)熔化成形（selective laser melting，SLM）工藝制造，通過了力學試驗考核，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重50％，其基頻相較原結(jié)構(gòu)提高35%，完成了基于MMC方法的蒙皮點陣一體化結(jié)構(gòu)在我國載人航天領(lǐng)域的首次型號應(yīng)用與在軌驗證，如圖16所示。該團隊進一步將拓撲優(yōu)化方法與細觀點陣填充相結(jié)合，完成了中巴地球資源04A衛(wèi)星、資源03衛(wèi)星等航天器關(guān)鍵設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與研制，實現(xiàn)了在多個型號航天器中的在軌應(yīng)用。

圖13　反射鏡支架仿生及增材制造

圖14　空客公司新型跨尺度仿生點陣結(jié)構(gòu)機艙隔板設(shè)計制造

圖15　導彈發(fā)動機支架拓撲優(yōu)化及3D打印

圖16　航天器支撐結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化及增材制造

綜上所述，學者們通過對結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化和仿生設(shè)計等基礎(chǔ)理論的研究，探索面向高速飛行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，并將其與增材制造相結(jié)合，為高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造一體化提供了新思路和新方法。通過上述分析，將近年來結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及增材制造在飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用成果進行了整理歸納，具體內(nèi)容見表1。

表1　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及增材制造在飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用

3 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化和仿生設(shè)計作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計手段，在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出巨大能力與潛力，不但為飛行器結(jié)構(gòu)研制提供了有效設(shè)計工具，更重要的是帶來設(shè)計理念的變革。將其與增材制造技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮增材制造的空間制造優(yōu)點，實現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造一體化，使得超輕質(zhì)高性能全新結(jié)構(gòu)特征，如復雜拓撲結(jié)構(gòu)、異型曲面、多尺度點陣的實現(xiàn)成為可能，為先進飛行器結(jié)構(gòu)的整體化和輕量化制造提供了必要手段。但是飛行器結(jié)構(gòu)所面臨的極端載荷環(huán)境和制造工藝的特殊性，對設(shè)計提出了更高要求。要真正實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還有很長的路要走。

1） 目前，在飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用中，拓撲優(yōu)化方法仍然以傳統(tǒng)的靜剛度、靜強度等常規(guī)承載性能設(shè)計為主，需進一步研究動載荷下的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)，對于舵翼面等薄壁結(jié)構(gòu)需要考慮顫振特性的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)，提高飛行器結(jié)構(gòu)的顫振性能，改善飛行器結(jié)構(gòu)的氣動彈性性能。

2） 增材制造極大地拓展了復雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造空間。然而，增材制造并非真正的“自由”制造，仍存在特定的制造約束。因此，后續(xù)應(yīng)將增材制造約束添加進拓撲優(yōu)化和仿生設(shè)計模型中，形成考慮增材制造可制造性的飛行器結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計方法，發(fā)展材料-結(jié)構(gòu)-功能-制造一體化設(shè)計技術(shù)。

3） 增材制造由于其特殊成形方式，尤其是金屬增材制造，涉及物理、化學、力學和材料冶金等多學科，選用不同工藝參數(shù)會產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷以及微結(jié)構(gòu)組織形式。目前，對內(nèi)部組織形成規(guī)律和內(nèi)部缺陷形成機理、零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律，以及變形開裂行為等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，仍缺乏系統(tǒng)的認識和研究，難以準確評估材料與結(jié)構(gòu)的疲勞力學行為。因此，亟需建立增材制造結(jié)構(gòu)件形性評估方法和質(zhì)量控制標準，研究增材制造材料與結(jié)構(gòu)的疲勞力學行為，建立疲勞設(shè)計準則，探索考慮結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的拓撲優(yōu)化方法。

4） 目前，研究大部分集中于運載火箭、飛機、無人機等傳統(tǒng)的航空航天飛行器，而導彈等高超聲速飛行器在臨近空間/大氣層內(nèi)長時間（以超過5 馬赫的速度）持續(xù)飛行，因工作環(huán)境極其惡劣，尤其在彈身/機身外形局部的氣動駐點、激波附著點，以及采用吸氣式動力形勢的發(fā)動機進氣道、燃燒室等部位，熱環(huán)境較為嚴酷，對零組件材料的耐高溫性能、結(jié)構(gòu)的力學性能等要求較高，同時對零組件空間外形、自身質(zhì)量等也有著苛刻要求。因此，在相關(guān)設(shè)計理論和方法上，更需要開展深入的研究。

5） 先進飛行器向著多功能、高機動、高可靠等方向發(fā)展，因此具有自診斷、自修復、自適應(yīng)功能的智能化飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)備受重視。加快現(xiàn)有智能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)在飛行器設(shè)計、制造階段的應(yīng)用，推動智能材料結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、復合材料、增材制造等技術(shù)的結(jié)合與創(chuàng)新，推進智能材料及其結(jié)構(gòu)在飛行器領(lǐng)域的工程化，實現(xiàn)飛行器的減重提效、降低維護成本、提高安全性等是今后的研究重點。