高速飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及增材制造研究進(jìn)展

來(lái)源：《空天防御》2023年第2期
作者：丁曉紅、張橫、沈洪，參考文獻(xiàn)見(jiàn)論文原文

高速、遠(yuǎn)射程/長(zhǎng)航程、強(qiáng)機(jī)動(dòng)性是武器、飛機(jī)和空天往返飛行器等重大航空航天裝備的發(fā)展趨勢(shì)，這些性能對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求。采用多功能集成的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，不僅能達(dá)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(duì)高速飛行器的強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、遠(yuǎn)射程/長(zhǎng)航程等性能需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)陣、蜂窩、夾層等高剛輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合增材制造，實(shí)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(fù)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(duì)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(fù)雜度結(jié)構(gòu)的制造，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)使這些復(fù)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(jì)。

傳統(tǒng)的自下而上的“校核式設(shè)計(jì)”流程已很難滿足這種高性能、輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)制造一體化技術(shù)飛速發(fā)展，而且已成為先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)改變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到節(jié)約原材料或提高結(jié)構(gòu)性能的一種設(shè)計(jì)方法。拓?fù)鋬?yōu)化和仿生設(shè)計(jì)作為兩種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為多功能集成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了實(shí)現(xiàn)的可能性；增材制造為具有復(fù)雜構(gòu)型的功能結(jié)構(gòu)制造提供了可能性。通過(guò)將拓?fù)鋬?yōu)化、仿生設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)融合，重新設(shè)計(jì)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(shì)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造一體化，是推動(dòng)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?fù)鋬?yōu)化可以不受結(jié)構(gòu)初始構(gòu)型的限制，在設(shè)計(jì)域內(nèi)自主生成新的孔洞或連接，通過(guò)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(jì)方法。增材制造技術(shù)通過(guò)空間增材方法實(shí)現(xiàn)成型，其自由制造工藝特性使得跨尺度、多層級(jí)、具有高度復(fù)雜幾何形狀構(gòu)件的制造成為可能。將拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jī)械加工刀具可達(dá)性、拔模約束等工藝限制，極大地拓展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造空間，實(shí)現(xiàn)超輕質(zhì)、多尺度、高性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

自然界經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的繁衍更迭、優(yōu)勝劣汰，進(jìn)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(qiáng)度和剛度等功能特性�，F(xiàn)代分析表征技術(shù)已證實(shí)，天然材料的優(yōu)異性能或特殊功能，依靠其內(nèi)部復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其尺度范圍通常橫跨納米尺度到宏觀尺度�；�于生物靈感的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是創(chuàng)新增材制造結(jié)構(gòu)的重要途徑之一，并有望實(shí)現(xiàn)增材制造結(jié)構(gòu)性能/功能的躍升。

本文針對(duì)高速飛行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(lái)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)研究，為新一代高速飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。


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

融合增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)流程

1） 基于原模型建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，劃分設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域，建立設(shè)計(jì)模型；

2） 基于拓?fù)鋬?yōu)化、仿生設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，得到初始構(gòu)型；

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

4） 對(duì)CAD模型中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到詳細(xì)設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)增材制造部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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

近年來(lái)，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)理論的不斷完善，以及計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算能力的不斷提升，國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化、仿生設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(shí)施的增材制造項(xiàng)目表明，設(shè)計(jì)制造融合技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域顯示出重要的發(fā)展價(jià)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(jī)結(jié)構(gòu)、舵翼面結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)、支架和隔板等承載結(jié)構(gòu)4個(gè)應(yīng)用方面進(jìn)行綜述。

2.1 全機(jī)結(jié)構(gòu)

在全機(jī)結(jié)構(gòu)方面，空客公司提出了基于增材制造設(shè)計(jì)（design for additive manufacturing，DfAM）理念的“透明客機(jī)”設(shè)計(jì)概念方案，從弧形機(jī)身到仿生結(jié)構(gòu)，再到能讓乘客一覽藍(lán)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(jì)劃，這架夢(mèng)幻飛機(jī)將在2050年變成現(xiàn)實(shí)，屆時(shí)，整個(gè)生產(chǎn)車間就是一臺(tái)巨型3D打印機(jī)，整個(gè)機(jī)身都由3D打印制造完成。2019年7月29日，蘇霍伊設(shè)計(jì)局公布了經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)，該機(jī)型的拓?fù)鋬?yōu)化模型很可能代表著蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)的終極形態(tài)，其在推重比、機(jī)動(dòng)性、超巡和航程等方面都有長(zhǎng)足進(jìn)步。為了減輕空間發(fā)射裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如級(jí)間段和錐形適配器等）的質(zhì)量，Vasiliev等通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了Anisogrid復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)。Anisogrid復(fù)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(duì)Anisogrid復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用基于機(jī)器人的增材制造工藝進(jìn)行制造，如圖2所示。美國(guó)NASA蘭利研究中心對(duì)戰(zhàn)神5號(hào)重型貨物運(yùn)載火箭的級(jí)間段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)研究，分析了6種初始概念的模型，通過(guò)對(duì)比，最終確定基于仿生設(shè)計(jì)的蜂窩級(jí)間段結(jié)構(gòu)擁有最優(yōu)異的性能。中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)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(xué)習(xí)混合專家（MMoE-3D）和差分進(jìn)化算法（differential evolution algorithm，DE）的優(yōu)化框架。通過(guò)對(duì)壓力中心變化率和升阻比進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)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(shí)間內(nèi)獲得了幾乎相同的測(cè)試結(jié)果。華中科技大學(xué)學(xué)者針對(duì)飛行器承載構(gòu)型開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化研究，在保證飛行器結(jié)構(gòu)指標(biāo)滿足約束的情況下，飛行器機(jī)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(jì)部研制了國(guó)際首個(gè)增材制造全三維點(diǎn)陣整星結(jié)構(gòu)，并隨千乘一號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射，如圖4所示。

圖2　Anisogrd復(fù)合殼體設(shè)計(jì)與制造

圖3　導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

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?fù)鋬?yōu)化，對(duì)飛行器翼面結(jié)構(gòu)的肋部以及蒙皮厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨后，基于增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了翼面結(jié)構(gòu)的制造，如圖5所示。Aage等對(duì)波音777客機(jī)的機(jī)翼進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，與原有機(jī)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(jī)翼的飛機(jī)每年可節(jié)省40~200 t燃油。由于優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的方案過(guò)于復(fù)雜，傳統(tǒng)制造技術(shù)暫時(shí)無(wú)法應(yīng)用，理論上只有通過(guò)一臺(tái)足夠大的3D打印機(jī)才能制造如此復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)，但該仿生設(shè)計(jì)方案對(duì)飛機(jī)輕量化設(shè)計(jì)探索具有重要意義。候政等結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)導(dǎo)彈升力面結(jié)構(gòu)顫振抑制設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并進(jìn)一步將該技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈折疊舵結(jié)構(gòu)顫振抑制設(shè)計(jì)中，獲得比原始設(shè)計(jì)方案顫振臨界速度更大的折疊舵結(jié)構(gòu)。美國(guó)馬里蘭大學(xué)研究人員采用3D打印，開(kāi)發(fā)了一種魚骨仿生可變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)，該機(jī)翼由魚骨狀內(nèi)部骨架和柔性蒙皮構(gòu)成，可實(shí)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(lái)，如圖6所示。該魚骨仿生結(jié)構(gòu)變彎度機(jī)翼，從翼根到翼尖只有42 cm，但結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)卻非常完整，尺寸縮小降低了成本和打印時(shí)間；對(duì)試件進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)中風(fēng)速達(dá)到24 m/s，原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期變形，同時(shí)結(jié)構(gòu)未發(fā)生顫振，試驗(yàn)證明了將魚骨仿生結(jié)構(gòu)用于變彎度機(jī)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(jì)中，分布合理的Y形分支結(jié)構(gòu)可以很好地實(shí)現(xiàn)承載功能；同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬和拓?fù)鋬?yōu)化，討論了Y形分支分布對(duì)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(shí)進(jìn)行特征驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，建立了仿生設(shè)計(jì)流程；最終設(shè)計(jì)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(jìn)行了制造；與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，仿生優(yōu)化的剛度和強(qiáng)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(zhǎng)法，對(duì)舵面內(nèi)部的骨架分布進(jìn)行了仿生拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了增材制造驗(yàn)證，如圖8所示；相比初始的舵面設(shè)計(jì)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(shí)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重21.5%，驗(yàn)證了舵面骨架仿生拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的高效性。

圖5　面向增材制造的翼面結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

圖6　仿生魚骨主動(dòng)變彎結(jié)構(gòu)及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

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(jì)

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

2.3　發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)

在發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件方面，美國(guó)Cobra Aero公司將3D打印技術(shù)應(yīng)用于替換無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸鑄件。原始的發(fā)動(dòng)機(jī)零件帶有散熱片，幫助運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)散熱和冷卻。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，放棄散熱片結(jié)構(gòu)并選擇了基于點(diǎn)陣的冷卻策略，最終的氣缸設(shè)計(jì)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(guó)海軍“三叉戟”ⅡD5洲際彈道導(dǎo)彈在飛行試驗(yàn)中，首次采用了3D打印導(dǎo)彈連接器后蓋，該導(dǎo)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(jì)和制造了該新部件，較傳統(tǒng)方法節(jié)省了一半時(shí)間。連接器后蓋用于保護(hù)導(dǎo)彈內(nèi)部的線纜集線器，采用鋁合金材料，長(zhǎng)2.5 cm，如圖10所示。2022年3月中旬，美國(guó)成功測(cè)試一枚由洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的高超聲速巡航導(dǎo)彈，該導(dǎo)彈從B52轟炸機(jī)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(dǎo)彈由Aerojet Rocketdyne超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，該發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)零件減少了95%。通過(guò)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(kāi)發(fā)時(shí)間。美國(guó)雷神科技公司（原UTC聯(lián)合技術(shù)公司）開(kāi)發(fā)了一種新的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器區(qū)段的冷卻燃料噴射器系統(tǒng)，并通過(guò)增材制造技術(shù)進(jìn)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(diǎn)和分支通過(guò)，如圖12所示。

圖9　Cobra Aero公司增材制造的點(diǎn)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(dòng)機(jī)再生冷卻薄壁夾層結(jié)構(gòu)

圖12　VESL結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)Altair公司開(kāi)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(kāi)發(fā)者使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，然后通過(guò)增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，新型支架結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了40%，通過(guò)了航空領(lǐng)域的綜合性能測(cè)試�？湛凸�司聯(lián)合西班牙先進(jìn)航空航天技術(shù)中心（CATEC）對(duì)“織女星”火箭連接支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)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?fù)鋬?yōu)化、增材制造與鑄造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(kāi)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。空客公司研發(fā)人員基于生物啟迪實(shí)現(xiàn)了跨尺度仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在宏觀尺度上，基于“黏菌自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”算法實(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在微觀尺度上，該構(gòu)件借鑒了骨骼生長(zhǎng)的生物靈感，完成了超過(guò)66 000個(gè)網(wǎng)格的排布，實(shí)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(diǎn)陣構(gòu)件較原蜂窩復(fù)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(gè)部件組裝而成，相較于原蜂窩復(fù)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(jì)批量化應(yīng)用于A320客機(jī)上，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖14所示。我國(guó)2019年發(fā)射的嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星“鵲橋”上的動(dòng)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?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了3D打印及試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)3D打印技術(shù)大大縮短了開(kāi)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(shí)現(xiàn)彈體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)、建模和自動(dòng)調(diào)整的方法，開(kāi)發(fā)了彈體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)了彈體結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)、自動(dòng)調(diào)整，以及質(zhì)量、重心等數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)算和更新。倪維宇等提出阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)某航天器安裝板阻尼材料分布進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)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(duì)支架的傳力路徑進(jìn)行優(yōu)化分析，再結(jié)合3D打印技術(shù)，采用高剛、高強(qiáng)的輕質(zhì)柵格夾層殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)徑向、軸向、周向的變厚度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載比為4%的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)。Shi等基于熱彈性拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)某航空支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并增材制造，在滿足設(shè)計(jì)約束條件下，質(zhì)量減小18%。張嘯雨等發(fā)展了基于蒙皮點(diǎn)（moving morphable component，MMC）的拓?fù)鋬?yōu)化方法，完成了面向增材制造的中國(guó)空間站某相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(guò)了力學(xué)試驗(yàn)考核，實(shí)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(diǎn)陣一體化結(jié)構(gòu)在我國(guó)載人航天領(lǐng)域的首次型號(hào)應(yīng)用與在軌驗(yàn)證，如圖16所示。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將拓?fù)鋬?yōu)化方法與細(xì)觀點(diǎn)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(jì)與研制，實(shí)現(xiàn)了在多個(gè)型號(hào)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)機(jī)艙隔板設(shè)計(jì)制造

圖15　導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印

圖16　航天器支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及增材制造

綜上所述，學(xué)者們通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和仿生設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)制造一體化提供了新思路和新方法。通過(guò)上述分析，將近年來(lái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及增材制造在飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用成果進(jìn)行了整理歸納，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和仿生設(shè)計(jì)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)工具，更重要的是帶來(lái)設(shè)計(jì)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化，使得超輕質(zhì)高性能全新結(jié)構(gòu)特征，如復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、異型曲面、多尺度點(diǎn)陣的實(shí)現(xiàn)成為可能，為先進(jìn)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(duì)設(shè)計(jì)提出了更高要求。要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的路要走。

1） 目前，在飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用中，拓?fù)鋬?yōu)化方法仍然以傳統(tǒng)的靜剛度、靜強(qiáng)度等常規(guī)承載性能設(shè)計(jì)為主，需進(jìn)一步研究動(dòng)載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)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?fù)鋬?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(dòng)彈性性能。

2） 增材制造極大地拓展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jìn)拓?fù)鋬?yōu)化和仿生設(shè)計(jì)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(jì)方法，發(fā)展材料-結(jié)構(gòu)-功能-制造一體化設(shè)計(jì)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(xué)、力學(xué)和材料冶金等多學(xué)科，選用不同工藝參數(shù)會(huì)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(duì)內(nèi)部組織形成規(guī)律和內(nèi)部缺陷形成機(jī)理、零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律，以及變形開(kāi)裂行為等關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題，仍缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和研究，難以準(zhǔn)確評(píng)估材料與結(jié)構(gòu)的疲勞力學(xué)行為。因此，亟需建立增材制造結(jié)構(gòu)件形性評(píng)估方法和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，研究增材制造材料與結(jié)構(gòu)的疲勞力學(xué)行為，建立疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，探索考慮結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的拓?fù)鋬?yōu)化方法。

4） 目前，研究大部分集中于運(yùn)載火箭、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)等傳統(tǒng)的航空航天飛行器，而導(dǎo)彈等高超聲速飛行器在臨近空間/大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間（以超過(guò)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(jī)身外形局部的氣動(dòng)駐點(diǎn)、激波附著點(diǎn)，以及采用吸氣式動(dòng)力形勢(shì)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室等部位，熱環(huán)境較為嚴(yán)酷，對(duì)零組件材料的耐高溫性能、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能等要求較高，同時(shí)對(duì)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(jì)理論和方法上，更需要開(kāi)展深入的研究。

5） 先進(jìn)飛行器向著多功能、高機(jī)動(dòng)、高可靠等方向發(fā)展，因此具有自診斷、自修復(fù)、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(jì)制造技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)、制造階段的應(yīng)用，推動(dòng)智能材料結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料、增材制造等技術(shù)的結(jié)合與創(chuàng)新，推進(jìn)智能材料及其結(jié)構(gòu)在飛行器領(lǐng)域的工程化，實(shí)現(xiàn)飛行器的減重提效、降低維護(hù)成本、提高安全性等是今后的研究重點(diǎn)。