沈陽(yáng)飛機(jī)所航空3D打印專(zhuān)家王向明當(dāng)選院士

2021年11月18日，南極熊獲悉，中國(guó)工程院2021年院士增選工作于近日完成，共選舉產(chǎn)生84位中國(guó)工程院院士和20位中國(guó)工程院外籍院士。來(lái)自中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所的王向明當(dāng)選中國(guó)工程院院士。

△《科學(xué)中國(guó)人》對(duì)王向明院士的報(bào)道

據(jù)《科學(xué)中國(guó)人》此前發(fā)布的相關(guān)資料顯示，王向明院士出生于1962年，2005年獲得北京航空航天大學(xué)工程力學(xué)博士學(xué)位，研究員、博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造工作，在開(kāi)拓隱身戰(zhàn)機(jī)新概念結(jié)構(gòu)領(lǐng)域、引領(lǐng)飛機(jī)增材制造應(yīng)用方向、創(chuàng)建隱身戰(zhàn)機(jī)機(jī)體快速試制新模式等做出貢獻(xiàn)，研究成果是鶻鷹中型四代機(jī)研制的基石。獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；省部級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利15件，發(fā)表期刊論文32篇、專(zhuān)著3部，國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告9次。

現(xiàn)任航空601所項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師，任鶻鷹飛機(jī)（殲—31）常務(wù)副總設(shè)計(jì)師、飛行器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域唯一國(guó)防973技術(shù)首席、軍委裝發(fā)部和原總裝先進(jìn)制造專(zhuān)業(yè)組委員、新型功能結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。享受?chē)?guó)務(wù)院特殊津貼，榮獲航空航天月桂獎(jiǎng)（技術(shù)先鋒獎(jiǎng)）、航空?qǐng)?bào)國(guó)金獎(jiǎng)（3次）和探索發(fā)明獎(jiǎng)，航空工業(yè)一等功、二等功（3次）。被評(píng)為遼寧十大創(chuàng)新能手、遼寧省五一獎(jiǎng)?wù)隆⑸蜿?yáng)市勞動(dòng)模范。培養(yǎng)碩、博研究生21人。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中，王向明院士在3D打印領(lǐng)域取得了一系列的研究成果。

王向明介紹說(shuō)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)增材制造的應(yīng)用研究迄今已開(kāi)展30多年，但應(yīng)用范圍、數(shù)量規(guī)模仍受局限，國(guó)內(nèi)外僅有幾種型號(hào)飛機(jī)在少量應(yīng)用，且以次承力件為主，例如波音787、空客A350等。盡管增材制造在控形、控性和工藝裝備等方面已取得重大突破，但由于缺少創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法引領(lǐng)，單純套用鍛鑄件優(yōu)勢(shì)不大，即想用但不太會(huì)用；另一方面，缺少性能評(píng)定/驗(yàn)證方法支撐，壽命安全說(shuō)不清，即想用但不太敢用。二者被美國(guó)聯(lián)邦航空局列為增材制造應(yīng)用技術(shù)的主要難點(diǎn)之一。

△王向明院士

早在2003年，王向明就與北京航空航天大學(xué)的王華明教授（2015年當(dāng)選中國(guó)工程院院士）開(kāi)展密切合作，共同為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件“量身定做”，即常說(shuō)的設(shè)計(jì)/制造一體化。

王華明教授率先在鈦合金大型復(fù)雜主承力件激光熔化沉積控形、控性、裝備、標(biāo)準(zhǔn)等方面取得重大突破，而王向明考慮更多的則是如何實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、確保使用安全，著重解決3D打印面臨的“會(huì)用、敢用”的問(wèn)題。

△王華明（左）王向明（右）獲中航工業(yè)"航空?qǐng)?bào)國(guó)金獎(jiǎng)"（圖源：CAN）

王向明借助在原總裝先進(jìn)制造專(zhuān)業(yè)組擔(dān)任增材制造責(zé)任專(zhuān)家的機(jī)遇，規(guī)劃出基于增材制造的大型整體化、構(gòu)型拓?fù)浠�、梯度�?fù)合化和功能結(jié)構(gòu)一體化等飛機(jī)新概念結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，主導(dǎo)系統(tǒng)級(jí)技術(shù)開(kāi)發(fā)與工程化驗(yàn)證，做前人不敢做的事，開(kāi)始走上打印奇思妙想的逐夢(mèng)之旅。

△王向明院士團(tuán)隊(duì)發(fā)表的部分中文期刊論文

他基于發(fā)明的增材熔合連接方法，提出多種增材主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)增材熔化沉積填充，一邊成形、一邊連接，將兩個(gè)構(gòu)件合并為一個(gè)整體，使構(gòu)件做得更大、更復(fù)雜。其中具體包括殘余應(yīng)力臨界值仿真預(yù)測(cè)、離散分區(qū)成形、去除殘余應(yīng)力、增材熔合連接，涵蓋創(chuàng)新設(shè)計(jì)、性能評(píng)定、工程驗(yàn)證等。與焊接的區(qū)別是，突破厚度限制，力學(xué)性能與母材相當(dāng)，近似“無(wú)痕”連接。研制出框-梁等多種整體主承力結(jié)構(gòu)，拓展法向復(fù)雜承載維度。

針對(duì)熔合連接區(qū)疲勞特性評(píng)定，王向明提出當(dāng)量應(yīng)力集中系數(shù)法。將熔合連接區(qū)內(nèi)部細(xì)觀缺陷打包，與母材宏觀應(yīng)力集中當(dāng)量等效，利用名義應(yīng)力法確定當(dāng)量應(yīng)力集中系數(shù)值和壽命算法，以此作為疲勞和工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)判據(jù)。針對(duì)疲勞壽命安全，王向明建立工程化驗(yàn)證專(zhuān)用模式，與傳統(tǒng)積木式驗(yàn)證不同的是，力學(xué)性能考核與工藝過(guò)程循環(huán)迭代，這樣可及時(shí)暴露性能缺陷，加快改進(jìn)，使增材制造主承力結(jié)構(gòu)件的壽命安全保障有了技術(shù)支撐，進(jìn)而解決壽命安全風(fēng)險(xiǎn)控制難題。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是公認(rèn)的輕量化結(jié)構(gòu)，減重效率可近一半，具有極大應(yīng)用潛力，受到工程界的普遍關(guān)注。王向明認(rèn)為，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬靜定結(jié)構(gòu)范疇，任一分支失效都將導(dǎo)致總體破壞。壽命安全如何保障？為此，他提出按壽命設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的強(qiáng)度裕度等效面積作為裂紋擴(kuò)展容限區(qū)域，分不同情況建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)局域損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)機(jī)加難點(diǎn)，他還提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工藝方法，機(jī)加量減少70%，制造成本也得到降低。

上述研究解決了增材主承力結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)難題，成效顯著，零件數(shù)量減少2/3、結(jié)構(gòu)減重1/5、疲勞壽命增加1/3�！帮w機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的殊榮，這一項(xiàng)目由沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，北京航空航天大學(xué)負(fù)責(zé)制造。

△王向明在國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

王向明介紹，選區(qū)熔化增材制造技術(shù)可打印出內(nèi)部形狀復(fù)雜的輕質(zhì)功能件，但常規(guī)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)承載能力大都不滿(mǎn)足飛機(jī)功能結(jié)構(gòu)要求。為此，王向明將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)半徑作為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)形狀優(yōu)化降低應(yīng)力集中和重量，由此建立多種拉壓承載型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)拘束微桁架單胞。他提出節(jié)點(diǎn)剪切強(qiáng)度計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)敏感設(shè)計(jì)參數(shù)（微桿半徑），并據(jù)此建立有效設(shè)計(jì)手段；打印出散熱器、格柵等多種高效功能件，解決了增材高承載功能結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)難題。功效實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛越，功能效率提高一倍、減重近2/5、零件減少95%。

△王向明團(tuán)隊(duì)的新一代3D打印技術(shù):重量?jī)H為原先1/8，換熱提高2到3倍（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

另外，據(jù)王向明介紹，飛機(jī)戰(zhàn)損/戰(zhàn)傷比為1∶20，結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷占近90%，若無(wú)法及時(shí)搶修即相當(dāng)于戰(zhàn)損。對(duì)此，他提出了補(bǔ)強(qiáng)幾何應(yīng)力集中/填充復(fù)合應(yīng)力集中最小的修理設(shè)計(jì)方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修復(fù)流程與數(shù)據(jù)庫(kù)——設(shè)計(jì)、評(píng)定、制造、修復(fù)。主持完成了3類(lèi)材料、9類(lèi)構(gòu)件的地面靜態(tài)、搖擺動(dòng)態(tài)環(huán)境下的工程驗(yàn)證，為保持艦載機(jī)完好率提供技術(shù)途徑。

上述成果應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)項(xiàng)目，單機(jī)用量達(dá)復(fù)合材料用量的1/7，含5種工藝、9種材料。開(kāi)辟了增材構(gòu)件在飛機(jī)上工程化應(yīng)用先河，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越，應(yīng)用進(jìn)程保持領(lǐng)先，使我國(guó)成為唯一實(shí)現(xiàn)增材制造構(gòu)件在飛機(jī)上規(guī)模化應(yīng)用的國(guó)家。王向明領(lǐng)銜的“基于增材制造的飛機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用”項(xiàng)目由此獲得了國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。


本文主要內(nèi)容來(lái)自《科學(xué)中國(guó)人》