西工大張衛(wèi)紅院士：結(jié)構(gòu)優(yōu)化和增材制造技術(shù)在高速飛行器上的應(yīng)用和挑戰(zhàn)

來源：《力學(xué)與實踐》
作者: 全棟梁, 時光輝, 關(guān)成啟等

高速飛行器是航空、航天領(lǐng)域發(fā)展的重要方向，具有重大戰(zhàn)略意義和重要經(jīng)濟社會價值。未來幾年到幾十年，武器裝備、飛機、空天往返飛行器等航空航天裝備面臨著全面更新?lián)Q代，而高速化是其重要趨勢，具有代表性的方案包括中國航天科工集團空天往返飛行器、美國洛克希德·馬丁公司的SR-72高超音速概念飛機等。SR-72能夠以超過5馬赫的速度在臨近空間長時間飛行，甚至穿梭于大氣層與外太空軌道之間。高速飛行器在整個使用過程中必須經(jīng)受復(fù)雜嚴酷的載荷環(huán)境。一方面，在大氣層內(nèi)高速飛行過程中，高速飛行器因氣動加熱表面從常溫逐漸升到極端高溫，例如6馬赫飛行的高速飛行器前緣駐點溫度超過1500 K，局部短時溫度梯度高達700 K/cm極端環(huán)境下短時溫升速率達到50 K/s；另一方面，除了高溫和氣動載荷引起的結(jié)構(gòu)變形，各種原因引起的振動是高速飛行器設(shè)計必須考慮的另一關(guān)鍵因素，例如局部內(nèi)外流耦合部位振動總均方根量級超過20 g，局部噪聲環(huán)境超過165 dB。綜合而言，與傳統(tǒng)飛行器相比，高速飛行器的使用環(huán)境異常嚴酷。

中國航天科工集團空天往返飛行器概念圖

不同于傳統(tǒng)的彈道型飛行器，高速飛行器必須在極高的飛行速度下滿足遠射程、長航時、高機動等性能要求，對飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輕量化設(shè)計提出了嚴峻挑戰(zhàn)，必須進一步降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)。結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)為飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)質(zhì)量相對起飛質(zhì)量的比值，是衡量飛行器結(jié)構(gòu)輕量化的指標。目前，亞聲速導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)約為22%～25%，超聲速導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)約為25%～33%，飛行速度越高結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的難度越大，未來飛行器增加熱防護及熱控系統(tǒng)后結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)要降低到20%以下才能使系統(tǒng)方案具備優(yōu)勢。與傳統(tǒng)飛行器相比，高速飛行器因使用環(huán)境溫度和機動性要求更高，載荷條件更為嚴酷。如何在滿足苛刻使用性能要求的前提下降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)，關(guān)系到高速飛行器性能指標的實現(xiàn)與全面提升。

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計是支撐高速飛行器研制的關(guān)鍵技術(shù)，飛行器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計對結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)的大小具有決定性影響。傳統(tǒng)的“經(jīng)驗式”結(jié)構(gòu)設(shè)計流程是自下而上的“校核式設(shè)計”，從國內(nèi)外趨勢來看，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對關(guān)鍵部件開展高性能輕量化設(shè)計正在成為先進飛行器設(shè)計的必然趨勢。關(guān)注公眾號: 兩機動力先行，免費獲取海量兩機資料，聚焦兩機關(guān)鍵技術(shù)！

目前，國內(nèi)外采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)開展高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的公開報道極少。近年來，圍繞工程研制需求，北京空天技術(shù)研究所、西北工業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)合作，開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及其在高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究。

首先，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)及其在飛行器零部件和全機結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中的應(yīng)用進行綜述；然后，根據(jù)典型使用環(huán)境和設(shè)計要求，總結(jié)高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的主要問題和應(yīng)用需求，著重介紹近年來在高速飛行器零部件和全機結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的典型案例；最后，提出近期亟待突破或完善的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)與設(shè)計經(jīng)驗相結(jié)合帶來設(shè)計理念的變革，將成為先進飛行器設(shè)計的必備工具和標準流程。面向重大需求的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論研究與工程實踐對提升我國航空航天核心競爭力具有重要價值。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的三個層次及與工程設(shè)計的關(guān)系

零件設(shè)計，以增材制造工藝加工，性能較少向工藝妥協(xié)
發(fā)動機安裝接頭用于傳遞發(fā)動機推力，布置在發(fā)動機推力傳遞截面、發(fā)動機兩側(cè)左右各一個成對使用。該安裝接頭為集中承載部件，除了要保證其自身強度、剛度以及耐溫性要求以外，功能上要實現(xiàn)發(fā)動機與機身結(jié)構(gòu)的有效連接及載荷的可靠傳遞。根據(jù)對接頭結(jié)構(gòu)形式的分析，采用拓撲優(yōu)化結(jié)合尺寸優(yōu)化方法開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。重點考慮結(jié)構(gòu)承載性能和輕量化水平，同時兼顧安裝可操作性；構(gòu)件以增材制造工藝加工，故設(shè)計中未特別考慮工藝限制。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度指標略有提升，局部最大應(yīng)力略增、但仍在安全范圍內(nèi)；與面向傳統(tǒng)機加工藝的原設(shè)計方案相比，減重超過 18%。

安裝接頭優(yōu)化設(shè)計

舵軸初始設(shè)計采用分段機加、焊接連接工藝。根據(jù)對舵軸結(jié)構(gòu)形式的分析，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果，進一步應(yīng)用尺寸優(yōu)化減重設(shè)計與增材制造工藝加工，滿足了所有性能要求，減重達 8.7%。零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在工程關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段實現(xiàn)了改進或原創(chuàng)設(shè)計，在保證承載性能的基礎(chǔ)上，取得了顯著的減重效果。結(jié)合金屬增材制造工藝，極大縮短了零件設(shè)計、制造與驗證周期，初步實現(xiàn)了面向性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計。與以往面向工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，性能較少向工藝妥協(xié)，設(shè)計自由度更大，減重效果更好。

舵軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

部件設(shè)計，拓撲優(yōu)化結(jié)合增材制造是實現(xiàn)大幅減重的重要途徑

根據(jù)飛行器減重和性能優(yōu)化需求，開展了以舵面為代表的部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計工作，建立了較為完善的同類結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程。舵面作為獨立部件，在高溫與壓力聯(lián)合作用下，必須滿足剛度、強度和轉(zhuǎn)動慣量等指標。首先采用拓撲優(yōu)化獲取主傳力路徑，結(jié)合設(shè)計人員經(jīng)驗提取結(jié)構(gòu)特征，通過尺寸參數(shù)優(yōu)化對重構(gòu)模型進行詳細設(shè)計，使結(jié)構(gòu)減重約10%。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在方案論證階段可以利用部件優(yōu)化設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)進行改進。應(yīng)用案例表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)與工程經(jīng)驗相結(jié)合，能得到符合功能需求、性能優(yōu)異且具備工程實現(xiàn)條件的結(jié)構(gòu)。

典型舵面優(yōu)化設(shè)計

飛機發(fā)動機的吊掛是連接發(fā)動機跟機翼關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，它要傳遞發(fā)動機的推力，以及發(fā)動機自身的重量，現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)形式是典型的框梁式的結(jié)構(gòu)。中國商飛的設(shè)計團隊對該部件進行受力分析后進行拓撲優(yōu)化和重新建模，最終采用3D打印制造出來的吊掛比原來重量減少了1/10，原來的重量有1000多千克，1/10是100多千克，對于飛機設(shè)計人員來說，減少100多千克，這是非常了不起的數(shù)據(jù)。

商飛團隊對飛機吊掛進行拓撲優(yōu)化和3D打印

全機概念設(shè)計，以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體作為設(shè)計目標
在概念設(shè)計階段應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)開展結(jié)構(gòu)概念方案構(gòu)建是一項具有挑戰(zhàn)性的工作�；�于工程前期研究基礎(chǔ)，探索了一種基于拓撲優(yōu)化的高速飛行器全機結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方法。首先，根據(jù)載荷和設(shè)計目標估計出初步的最大變形、質(zhì)心位置、最小一階頻率設(shè)計要求，通過拓撲優(yōu)化快速獲得結(jié)構(gòu)質(zhì)量指標的可實現(xiàn)下限，從而確定一組可用于進一步結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)性指標；然后，在拓撲優(yōu)化設(shè)計結(jié)果基礎(chǔ)上，建立參數(shù)優(yōu)化模型 (考慮功能需求，如預(yù)留設(shè)備空間、增加操作口蓋等)；最后，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性指標建立優(yōu)化設(shè)計約束，以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體剛度最大作為設(shè)計目標，開展尺寸優(yōu)化設(shè)計獲得全機參數(shù)化模型。在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段經(jīng)過以上兩輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得的飛行器全機結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方案可作為后期結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計階段的重要參考。

某高速飛行器結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

從圖中可以看出，該研究中的高速飛行器與使用超燃發(fā)動機的超音速飛行器非常類似。超燃發(fā)動機實際上已經(jīng)成為飛行器的整體結(jié)構(gòu)的一部分，目前國內(nèi)外均在開展此類大尺寸整體結(jié)構(gòu)的3D打印，具體內(nèi)容可點擊下圖查看。

超燃沖壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)

亟需突破的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)
結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法作為創(chuàng)新設(shè)計手段，在高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用探索中已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的能力與潛力。然而，目前的應(yīng)用仍以冷結(jié)構(gòu)和中低溫熱結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)性能主要考慮剛度、強度和固有頻率；材料以金屬為主，局部使用復(fù)合材料；拓撲優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的解讀和特征提取仍依賴于設(shè)計人員的手動操作，工藝約束考慮較少；全機概念設(shè)計中受限于計算能力，模型規(guī)模較小，設(shè)計結(jié)果粗糙。關(guān)注公眾號: 兩機動力先行，免費獲取海量兩機資料，聚焦兩機關(guān)鍵技術(shù)！

結(jié)構(gòu)優(yōu)化在飛行器設(shè)計中的應(yīng)用

為滿足高速飛行器極端載荷環(huán)境和高性能指標要求，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)近期亟待突破或完善以下技術(shù)：

(1) 建立局部超高溫熱擴散結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)；

(2) 完善大梯度高溫熱結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)；

(3) 完善動載荷下的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)局部動響應(yīng)特性改善；

(4) 發(fā)展全新的拓撲優(yōu)化方法，避免密度法拓撲優(yōu)化結(jié)果特征提取帶來的性能損失；

(5) 發(fā)展面向增材制造的拓撲優(yōu)化技術(shù)，建立增材制造結(jié)構(gòu)件性能評估和質(zhì)量控制標準；

(6) 發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；

(7) 進一步針對未來復(fù)雜可重復(fù)使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，完善不確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法；

(8) 基于并行計算發(fā)展超大規(guī)模結(jié)構(gòu)高性能分析與優(yōu)化設(shè)計平臺，實現(xiàn)大型部件和全機的精細概念設(shè)計。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到大量應(yīng)用，尤其是拓撲優(yōu)化技術(shù)在提高結(jié)構(gòu)性能、降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量中已發(fā)揮出顯著作用，被行業(yè)普遍接受。拓撲優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用已從肋板、支架、掛架等零件推廣到機身、部段甚至整機的優(yōu)化設(shè)計。高速飛行器由于其極端使用環(huán)境和嚴苛性能要求，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)與制造工藝具有迫切需求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在零部件以及全機概念設(shè)計中具有極大潛力，但仍需要開展更為深入的理論方法和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

大量理論方法研究和工程應(yīng)用實踐表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)不但為飛行器結(jié)構(gòu)研制提供了有效的設(shè)計工具，更重要的是帶來設(shè)計理念的變革。(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)正逐步成為先進飛行器設(shè)計過程必備工具和標準流程；(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)經(jīng)驗相結(jié)合在高性能輕量化應(yīng)用中能發(fā)揮出更大的作用；(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在飛行器研制的詳細設(shè)計階段、基本設(shè)計階段、概念設(shè)計階段均能發(fā)揮作用；(4)拓撲優(yōu)化技術(shù)與增材制造工藝的有機融合，能夠?qū)崿F(xiàn)從無到有的設(shè)計，最大限度發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)化的作用，將成為未來結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造的組合技術(shù)，實現(xiàn)真正的面向性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計。