基于增材制造技术的飞机零部件结构优化研究.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413（2 0 2 3)0 5-0 2 2 5-0 2基于增材制造技术的飞机零部件结构优化研究吴海荣1，刘明刚，毛剑锋，周元莉，王晓峰（1海装沈阳局驻沈阳地区第一军代表室，辽宁沈阳110 8 50；2.沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳110 0 34)摘要：介绍了增材制造技术的工艺特点，以增材制造为支撑探讨了飞机零部件结构优化的应用和前景。研究表明，增材制造技术可以突破传统加工方法，使飞机零部件结构深度优化成为现实。关键词：增材制造技术；结构优化；飞机零部件中图分类号：V221+.92文献标识码：A0引言飞机零部件的传统加工方式一般包括机加、钣金、铸造和焊接等工艺形式，受限于工艺特性，这些加工方式要求零件结构及外形比较规整，力求“横平竖直”,尽量避免出现加工闭角、复杂或小曲率曲面，结构设计在很大程度上对工艺做出让步，因而难以实现最优传力路径与最轻重量。随着国家对新一代飞机战略布局的实施，对飞机高速、耐高温等技术指标的要求更加严苛，传统加工方式越来越难以满足指标要求。为此，将增材制造技术引入飞机零部件设计，以实现零部件深层次的结构优化与重量减轻。基于增材制造工艺，以提高结构性能和减重为目标，可以按照产品性能要求和载荷约束，生成结构上的最优设计方案。本文通过应用增材制造成形技术，对多种飞机零部件的结构设计进行送代优化。与传统加工形式对比，新的设计方法在提高强度、减小应力、减轻重量等方面取得了良好的成效。1增材制造技术工艺特点增材制造技术又名“3D打印技术”，是一种加法式立体一体化制造技术，是以计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)为基础，将材料（流体、粉材、丝材、块体）或逐层固化、熔敷，或逐层累叠、块体组焊连接成为整体结构的新兴制造技术1。相对于传统加工技术，它具有无模具快速自由成形、零件近净成形和零部件一体化成形等特点，材料利用率高，可实现传统难加工材料成形，并且特别适合复杂零部件的加工成形。2结构优化方法2.1微桁架点阵结构微桁架点阵结构具有超轻、热控、高孔隙率、高比收稿日期：2 0 2 3-0 2-13；修订日期：2 0 2 3-0 7-0 4作者简介：吴海荣（19 8 1-），男，河北大城人，工程师，硕士，主要从事航空装备管理和建造。强度和减振降噪等优点，是实现飞机结构优化的重要途径之一，微桁架点阵结构的可制造性是制约其发展的关键瓶颈，而金属增材制造技术的出现突破了其制备上的限制，极大拓展了微桁架结构的设计空间2 。目前，常见的微桁架单胞结构有“金字塔形”“米字形”与“十二面体形”,如图1所示。(a）金字塔形(b)米字形图1微桁架单胞结构微桁架结构可采用单层单元体实现，如格栅、导管等薄壁结构，如图2 所示；也可以采用叠加单元体实现具有一定厚度的镂空结构，如支座、接头等，多层镂空结构可采用同一种单元实现，也可以根据工艺成形或载荷分布情况采用不同种类或不同尺寸的单元体混合实现，如图3所示。（a）单层微桁架点阵结构图2 单层微桁架点阵结构及局部放大图2.2结构拓扑优化(c）十二面体形(b）局部放大226在飞机零部件结构设计过程中，减重对于提高飞机的整体性能至关重要。拓扑优化设计是减重的一种重要手段，在给定载荷、工况约束的条件下，生成最优的拓扑结构模型。目前，拓扑优化主要有三大方法：均质化法、变密度法和进化结构优化方法。其中，变密度法是工程拓扑优化较为常用的方法之一，广泛应用于多种约束和相应的连续体拓扑优化问题3。优化时以材料密度为拓扑设计变量，从而将结构拓扑优化问题转换为材料的最优分布问题4。其优化过程为：重新定义零件模型；对有限元模型进行网格划分；定义设计空间；拓扑优化计算获得密度云图；优化结果后处理，获得新结构轮廓并创建IGES曲面；人工修正。阵列图3多层镂空微桁架点阵结构2.3拓扑微桁架结构优化点阵结构与拓扑结构的联合优化，可以叠加实现增材承力结构件与功能一体化构件的应用，可大大解决飞机零部件的减重、周期与成本问题。图4是针对飞机脚踏零件开展的基于传统机加工工艺与基于点阵拓扑的增材工艺对比研究，经分析比较，在满足使用要求的前提下，后者重量至少减轻40%。（a）脚踏结构原型（c）微桁架点阵结构内部填充图4飞机脚踏零件结构优化对比3未来展望Research on Structural Optimization of Aircraft PartsBased on Additive Manufacturing TechnologyWU Hai-rong,LIU Ming-gang,MAO Jian-feng,ZHOU Yuan-li?,WANG Xiao-feng?(1.Naval Equipment Shenyang Bureau the First Army Representative Office in Shenyang Area,Shenyang 110850,China;2.AVIC Shenyang AircraftCorporation,Shenyang 110034,China)Abstract:In this paper,the technological characteristics of adding material manufacturing technology are introduced,and theapplication and prospect of aircraft parts structure optimization are discussed.The research shows that the additional materialmanufacturing technology can break through the traditional processing methods and make the structural depth optimization of aircraftparts becomea reality.Keywords:additive manufacturing technology;structure optimization;aircraft parts机械工程与自动化随着增材制造技术在航空制造领域的发展应用，航空零部件的设计制造对产品结构提出了更高的要求。（1）优化结构，以保证更高的成形质量。相对于传统工艺，增材制造技术难度很大，热成形工艺制件的内部往往会产生应力集中，容易导致零件产生变形开裂、内部缺陷等问题。深入研究内部缺陷形成机理，探索与内部组织成形规律相适应的结构，可以为结构优化提供理论基础，保证结构件获得更高的成形质量。（2）采用自支撑结构设计，以减少增材成形后的处理难度。由于激光增材成形零件往往形状非常复杂，且一次一体成形，其直接成形角度与竖直面夹角不大于45，倾斜角度大的区域需设计支撑以保证结构正常成形，在零件成形后需去除多余的支撑，结构越复杂，支撑去除难度越大。因此，设计零件成形姿态，将多余的支撑转化成有用的结构，是结构优化设计面临的一项重大的挑战。填充（3）采用仿生结构及多功能一体化设计。复杂部件级结构中除了承载功能外，往往还包括散热、减振、隐身及传导等其他功能，合理地设计结构构型，实现多功能化是提升结构性能的有效方式5。增材一体成形的特性可以在零件内部直接打印镂空、内流道、加强筋等结构，可以在同一个零件上实现多个功能，如发动机内流道的设计。未来飞机的增材构件设计将更加凸显结构仿生以及多功能集成优化，如机身与机翼轻量化减振抗冲击结构、发动机舱隔热散热结构等，将实现飞机结构性能及功能的飞跃。4结语航空制造领域存在着大量的结构优化问题，基于增材制造技术的结构优化设计，可以突破传统理念，拓宽设计思路，为结构的概念设计提供更优方案，并产生了大量的减重空间，从而提高飞机性能技术指标。可以预见，高效的结构设计将是实现未来新型无人机与有人机的最关键技术之一。参考文献：1关桥.焊接/连接与增材制造（3D打印)J.焊接，2 0 14（b）脚踏拓扑优化结构(5):1-9.2王佳优，孙健.含微桁架填充的航空框梁结构拓扑优化设计J.失效分析与预防，2 0 2 1，16（3）：18 4-19 0.3印亚荣，伞冰冰.基于扩展有限元法的连续体结构拓扑优化J.三峡大学学报，2 0 16，38（1：57-6 1.4石作维.机械结构拓扑优化及其在重型卡车平衡轴支架改进设计中的应用D.合肥：合肥工业大学，2 0 0 9：1-5.5 林柳书田，李取浩，陈文炯，等.拓扑优化与增材制造结合：一种设计与制造一体化方法J.航空制造技术，2 0 17(10):26-31.2023年第5期