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(lái)源：《力學(xué)與實(shí)踐》
作者: 全棟梁, 時(shí)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(jì)社會(huì)價(jià)值。未來(lái)幾年到幾十年，武器裝備、飛機(jī)、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(shì)，具有代表性的方案包括中國(guó)航天科工集團(tuán)空天往返飛行器、美國(guó)洛克希德·馬丁公司的SR-72高超音速概念飛機(jī)等。SR-72能夠以超過(guò)5馬赫的速度在臨近空間長(zhǎng)時(shí)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(gè)使用過(guò)程中必須經(jīng)受復(fù)雜嚴(yán)酷的載荷環(huán)境。一方面，在大氣層內(nèi)高速飛行過(guò)程中，高速飛行器因氣動(dòng)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(diǎn)溫度超過(guò)1500 K，局部短時(shí)溫度梯度高達(dá)700 K/cm極端環(huán)境下短時(shí)溫升速率達(dá)到50 K/s；另一方面，除了高溫和氣動(dòng)載荷引起的結(jié)構(gòu)變形，各種原因引起的振動(dòng)是高速飛行器設(shè)計(jì)必須考慮的另一關(guān)鍵因素，例如局部?jī)?nèi)外流耦合部位振動(dòng)總均方根量級(jí)超過(guò)20 g，局部噪聲環(huán)境超過(guò)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(yán)酷。

中國(guó)航天科工集團(tuán)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(yuǎn)射程、長(zhǎng)航時(shí)、高機(jī)動(dòng)等性能要求，對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須進(jìn)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(duì)起飛質(zhì)量的比值，是衡量飛行器結(jié)構(gòu)輕量化的指標(biāo)。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(jì)的難度越大，未來(lái)飛行器增加熱防護(hù)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(shì)。與傳統(tǒng)飛行器相比，高速飛行器因使用環(huán)境溫度和機(jī)動(dòng)性要求更高，載荷條件更為嚴(yán)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)與全面提升。

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)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(jì)對(duì)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(yàn)式”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程是自下而上的“校核式設(shè)計(jì)”，從國(guó)內(nèi)外趨勢(shì)來(lái)看，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對(duì)關(guān)鍵部件開展高性能輕量化設(shè)計(jì)正在成為先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。關(guān)注公眾號(hào): 兩機(jī)動(dòng)力先行，免費(fèi)獲取海量?jī)蓹C(jī)資料，聚焦兩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)！

目前，國(guó)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(jì)的公開報(bào)道極少。近年來(lái)，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(jì)中的應(yīng)用研究。

首先，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)及其在飛行器零部件和全機(jī)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述；然后，根據(jù)典型使用環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，總結(jié)高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題和應(yīng)用需求，著重介紹近年來(lái)在高速飛行器零部件和全機(jī)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合帶來(lái)設(shè)計(jì)理念的變革，將成為先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)的必備工具和標(biāo)準(zhǔn)流程。面向重大需求的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論研究與工程實(shí)踐對(duì)提升我國(guó)航空航天核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要價(jià)值。

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

零件設(shè)計(jì)，以增材制造工藝加工，性能較少向工藝妥協(xié)
發(fā)動(dòng)機(jī)安裝接頭用于傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)推力，布置在發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞截面、發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)左右各一個(gè)成對(duì)使用。該安裝接頭為集中承載部件，除了要保證其自身強(qiáng)度、剛度以及耐溫性要求以外，功能上要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身結(jié)構(gòu)的有效連接及載荷的可靠傳遞。根據(jù)對(duì)接頭結(jié)構(gòu)形式的分析，采用拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合尺寸優(yōu)化方法開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)承載性能和輕量化水平，同時(shí)兼顧安裝可操作性；構(gòu)件以增材制造工藝加工，故設(shè)計(jì)中未特別考慮工藝限制。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo)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(jī)加工藝的原設(shè)計(jì)方案相比，減重超過(guò) 18%。

安裝接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

舵軸初始設(shè)計(jì)采用分段機(jī)加、焊接連接工藝。根據(jù)對(duì)舵軸結(jié)構(gòu)形式的分析，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，進(jìn)一步應(yīng)用尺寸優(yōu)化減重設(shè)計(jì)與增材制造工藝加工，滿足了所有性能要求，減重達(dá) 8.7%。零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)或原創(chuàng)設(shè)計(jì)，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(jì)、制造與驗(yàn)證周期，初步實(shí)現(xiàn)了面向性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與以往面向工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，性能較少向工藝妥協(xié)，設(shè)計(jì)自由度更大，減重效果更好。

舵軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

部件設(shè)計(jì)，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合增材制造是實(shí)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(jì)工作，建立了較為完善的同類結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。舵面作為獨(dú)立部件，在高溫與壓力聯(lián)合作用下，必須滿足剛度、強(qiáng)度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等指標(biāo)。首先采用拓?fù)鋬?yōu)化獲取主傳力路徑，結(jié)合設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)提取結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)尺寸參數(shù)優(yōu)化對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)減重約10%。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在方案論證階段可以利用部件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。應(yīng)用案例表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，能得到符合功能需求、性能優(yōu)異且具備工程實(shí)現(xiàn)條件的結(jié)構(gòu)。

典型舵面優(yōu)化設(shè)計(jì)

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的吊掛是連接發(fā)動(dòng)機(jī)跟機(jī)翼關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，它要傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)商飛的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)該部件進(jìn)行受力分析后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和重新建模，最終采用3D打印制造出來(lái)的吊掛比原來(lái)重量減少了1/10，原來(lái)的重量有1000多千克，1/10是100多千克，對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，減少100多千克，這是非常了不起的數(shù)據(jù)。

商飛團(tuán)隊(duì)對(duì)飛機(jī)吊掛進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和3D打印

全機(jī)概念設(shè)計(jì)，以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體作為設(shè)計(jì)目標(biāo)
在概念設(shè)計(jì)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(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。基于工程前期研究基礎(chǔ)，探索了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的高速飛行器全機(jī)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)方法。首先，根據(jù)載荷和設(shè)計(jì)目標(biāo)估計(jì)出初步的最大變形、質(zhì)心位置、最小一階頻率設(shè)計(jì)要求，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化快速獲得結(jié)構(gòu)質(zhì)量指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)下限，從而確定一組可用于進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性指標(biāo)；然后，在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)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(biāo)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)約束，以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體剛度最大作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，開展尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得全機(jī)參數(shù)化模型。在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段經(jīng)過(guò)以上兩輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得的飛行器全機(jī)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)方案可作為后期結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的重要參考。

某高速飛行器結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

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(dòng)機(jī)的超音速飛行器非常類似。超燃發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上已經(jīng)成為飛行器的整體結(jié)構(gòu)的一部分，目前國(guó)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(diǎn)擊下圖查看。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)手段，在高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?zé)峤Y(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)性能主要考慮剛度、強(qiáng)度和固有頻率；材料以金屬為主，局部使用復(fù)合材料；拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的解讀和特征提取仍依賴于設(shè)計(jì)人員的手動(dòng)操作，工藝約束考慮較少；全機(jī)概念設(shè)計(jì)中受限于計(jì)算能力，模型規(guī)模較小，設(shè)計(jì)結(jié)果粗糙。關(guān)注公眾號(hào): 兩機(jī)動(dòng)力先行，免費(fèi)獲取海量?jī)蓹C(jī)資料，聚焦兩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)！

結(jié)構(gòu)優(yōu)化在飛行器設(shè)計(jì)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(biāo)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?zé)釘U(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；

(2) 完善大梯度高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)；

(3) 完善動(dòng)載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)局部動(dòng)響應(yīng)特性改善；

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

(5) 發(fā)展面向增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，建立增材制造結(jié)構(gòu)件性能評(píng)估和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)；

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

(7) 進(jìn)一步針對(duì)未來(lái)復(fù)雜可重復(fù)使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，完善不確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；

(8) 基于并行計(jì)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(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大型部件和全機(jī)的精細(xì)概念設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到大量應(yīng)用，尤其是拓?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的應(yīng)用已從肋板、支架、掛架等零件推廣到機(jī)身、部段甚至整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。高速飛行器由于其極端使用環(huán)境和嚴(yán)苛性能要求，對(duì)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(jī)概念設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)工具，更重要的是帶來(lái)設(shè)計(jì)理念的變革。(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)正逐步成為先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程必備工具和標(biāo)準(zhǔn)流程；(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)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(jì)在飛行器研制的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、基本設(shè)計(jì)階段、概念設(shè)計(jì)階段均能發(fā)揮作用；(4)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與增材制造工藝的有機(jī)融合，能夠?qū)崿F(xiàn)從無(wú)到有的設(shè)計(jì)，最大限度發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)化的作用，將成為未來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的組合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正的面向性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。