西工大張衛(wèi)紅院士：結構優(yōu)化和增材制造技術在高速飛行器上的應用和挑戰(zhàn)

來源：《力學與實踐》
作者: 全棟梁, 時光輝, 關成啟等

高速飛行器是航空、航天領域發(fā)展的重要方向，具有重大戰(zhàn)略意義和重要經濟社會價值。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換代，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受復雜嚴酷的載荷環(huán)境。一方面，在大氣層內高速飛行過程中，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構變形，各種原因引起的振動是高速飛行器設計必須考慮的另一關鍵因素，例如局部內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，對飛行器結構系統(tǒng)輕量化設計提出了嚴峻挑戰(zhàn)，必須進一步降低結構質量系數。結構質量系數為飛行器結構系統(tǒng)質量相對起飛質量的比值，是衡量飛行器結構輕量化的指標。目前，亞聲速導彈的結構質量系數約為22%～25%，超聲速導彈的結構質量系數約為25%～33%，飛行速度越高結構輕量化設計的難度越大，未來飛行器增加熱防護及熱控系統(tǒng)后結構質量系數要降低到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構質量系數，關系到高速飛行器性能指標的實現與全面提升。

結構輕量化設計是支撐高速飛行器研制的關鍵技術，飛行器結構方案設計對結構質量系數的大小具有決定性影響。傳統(tǒng)的“經驗式”結構設計流程是自下而上的“校核式設計”，從國內外趨勢來看，采用結構優(yōu)化技術對關鍵部件開展高性能輕量化設計正在成為先進飛行器設計的必然趨勢。關注公眾號: 兩機動力先行，免費獲取海量兩機資料，聚焦兩機關鍵技術！

目前，國內外采用結構優(yōu)化技術開展高速飛行器結構設計的公開報道極少。近年來，圍繞工程研制需求，北京空天技術研究所、西北工業(yè)大學和大連理工大學合作，開展了結構優(yōu)化方法及其在高速飛行器結構設計中的應用研究。

首先，對結構優(yōu)化技術及其在飛行器零部件和全機結構概念設計中的應用進行綜述；然后，根據典型使用環(huán)境和設計要求，總結高速飛行器結構設計中存在的主要問題和應用需求，著重介紹近年來在高速飛行器零部件和全機結構概念設計中應用結構優(yōu)化技術的典型案例；最后，提出近期亟待突破或完善的結構優(yōu)化技術。結構優(yōu)化技術與設計經驗相結合帶來設計理念的變革，將成為先進飛行器設計的必備工具和標準流程。面向重大需求的結構優(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。

結構優(yōu)化的三個層次及與工程設計的關系

零件設計，以增材制造工藝加工，性能較少向工藝妥協
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，功能上要實現發(fā)動機與機身結構的有效連接及載荷的可靠傳遞。根據對接頭結構形式的分析，采用拓撲優(yōu)化結合尺寸優(yōu)化方法開展結構優(yōu)化設計。重點考慮結構承載性能和輕量化水平，同時兼顧安裝可操作性；構件以增材制造工藝加工，故設計中未特別考慮工藝限制。優(yōu)化后結構剛度指標略有提升，局部最大應力略增、但仍在安全范圍內；與面向傳統(tǒng)機加工藝的原設計方案相比，減重超過 18%。

安裝接頭優(yōu)化設計

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

舵軸結構優(yōu)化設計

部件設計，拓撲優(yōu)化結合增材制造是實現大幅減重的重要途徑

根據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構的優(yōu)化設計工作，建立了較為完善的同類結構優(yōu)化設計流程。舵面作為獨立部件，在高溫與壓力聯合作用下，必須滿足剛度、強度和轉動慣量等指標。首先采用拓撲優(yōu)化獲取主傳力路徑，結合設計人員經驗提取結構特征，通過尺寸參數優(yōu)化對重構模型進行詳細設計，使結構減重約10%。結構設計人員在方案論證階段可以利用部件優(yōu)化設計方法對結構進行改進。應用案例表明結構優(yōu)化技術與工程經驗相結合，能得到符合功能需求、性能優(yōu)異且具備工程實現條件的結構。

典型舵面優(yōu)化設計

飛機發(fā)動機的吊掛是連接發(fā)動機跟機翼關鍵的結構，它要傳遞發(fā)動機的推力，以及發(fā)動機自身的重量，現在的結構形式是典型的框梁式的結構。中國商飛的設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，對于飛機設計人員來說，減少100多千克，這是非常了不起的數據。

商飛團隊對飛機吊掛進行拓撲優(yōu)化和3D打印

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

某高速飛行器結構概念設計

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)動機實際上已經成為飛行器的整體結構的一部分，目前國內外均在開展此類大尺寸整體結構的3D打印，具體內容可點擊下圖查看。

超燃沖壓發(fā)動機結構

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

結構優(yōu)化在飛行器設計中的應用

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

(1) 建立局部超高溫熱擴散結構設計技術；

(2) 完善大梯度高溫熱結構拓撲優(yōu)化技術；

(3) 完善動載荷下的結構拓撲優(yōu)化技術，實現局部動響應特性改善；

(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，建立增材制造結構件性能評估和質量控制標準；

(6) 發(fā)展陶瓷基復合材料結構優(yōu)化設計技術；

(7) 進一步針對未來復雜可重復使用結構優(yōu)化問題，完善不確定結構優(yōu)化設計方法；

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

結構優(yōu)化技術在國內外航空航天領域已經得到大量應用，尤其是拓撲優(yōu)化技術在提高結構性能、降低結構質量中已發(fā)揮出顯著作用，被行業(yè)普遍接受。拓撲優(yōu)化技術的應用已從肋板、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，對結構優(yōu)化技術與制造工藝具有迫切需求。結構優(yōu)化技術在零部件以及全機概念設計中具有極大潛力，但仍需要開展更為深入的理論方法和應用基礎研究。

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