面向增材制造的内置流道一体化支架拓扑优化设计

针对星载发动机一体化支架必须同时满足流道功能、承载、工艺要求的轻量化设计问题,提出了一种面向增材制造的内置流道结构拓扑优化设计流程。将内置流道功能型面保留并作为非设计区域,建立一体化支架设计模型;在满足轻量化要求下以提高力学性能为目标,利用拓扑优化获取结构的主传力路径,完成优化构型的模型重构;以保证流道内表面加工质量为依据,确定一体化支架增材制造打印角度,进而对支撑结构的去除工艺性进行分析,完成了全尺寸样件制造。有限元分析结果和样件加工过程表明:一体化支架优化设计方案内置流道的加工质量、结构的强度和刚度性能均满足设计要求,打印结构支撑易去除、工艺性好,较原设计方案减质40.6,优化设计减质效果显著。

增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法

应急保障和战时抢修是增材制造技术发展的重要方向之一,也给面向增材制造的结构优化设计提出了新的挑战。为了实现异种材料原位替换件的构型设计,提出增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法,并以机用散热风扇为例开展应用研究。通过分析散热风扇服役环境和战时抢修需求,在变密度方法框架下建立结构总质量和转动惯量控制在原件数据附近小范围以内、以结构整体柔顺度最小化为目标的拓扑优化问题列式,并完成灵敏度分析公式推导。从拓扑优化结果及其重构模型的仿真数据可知:散热风扇替换件拓扑优化结果收敛性好、满足所有设计要求,重构方案满足增材制造工艺性要求,验证了本文设计方法的有效性。

拓扑优化与增材制造技术的融合及其在民用飞行器设计中的应用

拓扑优化与增材制造为实现轻质高性能复杂结构提供了全新研制模式。回顾了作者团队近年来围绕拓扑优化与增材制造技术融合研究的相关内容,包括考虑增材制造悬空角、连通性工艺约束的拓扑优化设计方法研究,非均匀点阵结构优化设计方法研究等。以典型民用飞行器结构舱门摇臂及铰链臂结构设计为例,介绍了拓扑优化与增材制造融合技术的工程应用情况。在满足设计指标的前提下,舱门摇臂与铰链臂结构分别减重10%、30%。拓扑优化方法与增材制造技术的融合在航空航天等领域优势明显,但目前以传统的静刚度、静强度等常规承载性能设计为主,工程应用主要集中在功能件和次承力件,未来需要在抗疲劳设计等研究领域进行突破。

增材制造316钢高周疲劳性能的微观力学研究

由于增材制造逐层累积的工艺特点,其成形材料力学性能往往不同于传统减材制造材料.在航空航天、核工业以及医疗领域中,对增材制造材料疲劳性能的研究不足导致其很难作为主承力件使用,这制约着增材制造技术的进一步推广使用.本文以增材制造316钢为对象,通过仿真手段研究其高周疲劳性能,研究表明循环载荷下滑移带与晶界处的裂纹萌生是增材制造316钢材料发生高周疲劳的主要原因.根据提出的微观力学模型研究了增材制造316钢的高周疲劳性能,其中分别使用唯象学晶体塑性理论和弹塑性内聚力模型模拟晶粒和晶界的力学行为.为了准确评估增材制造316钢的高周疲劳性能,本文针对于晶粒和晶界分别采用Papadopoulos疲劳准则和一种基于安定性理论的介观疲劳准则同时考虑位错滑移和晶界对疲劳性能的影响.最后,为了验证所提微观力学模型的有效性,本文对比了增材制造316钢和轧制316钢高周疲劳性能的仿真结果.与实验结果相同,仿真结果显示增材制造316钢相较于轧制316钢具有更好的高周疲劳性能.

大尺寸泡沫填充帽型复合材料加筋壁板成型工艺研究

以大尺寸泡沫填充帽型复合材料加筋壁板为对象,针对影响其表面质量及内部质量的整体成型工艺方法进行研究。从壁板内R区加捻量、透气毡的铺放方式、压力垫的放置方式三个主要工艺参数考虑,以制件的表面质量、无损内部质量为衡量指标,开展了不同成型工艺参数下的试验验证。基于工艺参数影响规律研究结果,得到最佳表面质量、内部质量控制方法。对泡沫和蒙皮接触的内R区进行加捻时,按照计算公式可得到最佳捻条宽度。制袋时透气毡整体放置,可消除零件表面的压痕。此结构及尺寸的零件无需放置压力垫,但对于具有复杂几何过渡的零件,则必须考虑整体的压力垫设计。通过该研究,成功制造了9.5 m×0.9 m泡沫填充帽型复合材料加筋壁板。

形状记忆合金增强复合材料力学试验分析

针对碳纤维树脂基复合材料抗冲击性能差的问题,本文提出了一种内嵌超弹性形状记忆合金丝的碳纤维树脂基复合材料(SMA-CFRP)。采用热压罐成型工艺,选用SMA铺设层数、SMA铺设方向两个参数成型了4种CFRP复合材料样件,分别对其进行了单轴拉伸、低速冲击及三点弯曲试验。由于超弹性SMA丝具有独特的相变机制,在试验加载过程中,承受了准静态或动态载荷并吸收了部分能量,因此相较于CFRP,SMA-CFRP的极限拉伸强度最高提升了7.71%,且抗冲击性能显著提升。试验结果表明,内嵌超弹性SMA能显著改善CFRP在准静态和低速冲击载荷下的力学性能。

面向增材制造的航空发动机外部系统支架拓扑优化设计

分析了严酷载荷工况下航空发动机外部系统支架的力学性能,以两种极限载荷工况下的支架柔顺度为目标函数,采用增材制造材料横观各向同性模型,开展了面向增材制造的外部系统支架拓扑优化设计与性能校核。金属激光增材制造样件的力学试验表明:面向增材制造的支架设计较初始结构质量减小约15%,刚度增大约20%,一阶固有频率提高约15%,结构强度显著增大。该方案实现了1个外部系统支架、2个管路支架和4颗铆钉的一体化增材制造,有效提升了发动机装配质量和效率,顺利通过地面静载和发动机点火试验。

重型运载火箭发动机机架与舱段传力结构一体化拓扑优化设计

运载火箭发动机机架与舱段传力结构主要负责将发动机的推力载荷有效传递至箭体壳段,是火箭结构系统中的关键部位。为充分考虑重型运载火箭发动机机架与舱段传力结构之间的耦合影响,寻找合理的传力路径并实现结构高效承载,对其开展了联合最优传力路径分析及结构优化设计。考虑变形、质量、设计空间、制造约束等设计要求,以整体刚度最大化为目标,建立了火箭发动机机架与舱段传力结构的优化模型,开展了一体化优化设计工作;讨论了发动机机架与舱段传力结构间的连接区域参数对整体结构设计的影响,给出了相关设计建议。

热压罐成型复合材料所用框架式模具热弹性耦合优化设计

以热压罐成型复合材料所用框架式模具为研究对象,着眼于温度变化较大的热压罐成型工况,目标为降低模具型面的热变形。建立框架式模具热力耦合拓扑优化有限元模型,对模具进行变形分析,得出影响模具型面变形的主要因素;通过模具型面总变形在X、Y、Z方向变形分量的比较,结合工程实际,确定了模具设计需要重点关注型面展向变形。发展了热弹性耦合结构拓扑优化设计方法,对比各工况下的拓扑优化设计结果,得到了镂空型周期性框架式模具构型。重构模型的变形分析验证了该模型可有效降低热变形15.92%,减重21.32%,验证了该优化设计方法的有效性。

航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计综述

新一代航天器技术的快速发展对结构件超强承载、极端防热、超高精度和超轻量化提出了越来越苛刻的要求,如何设计并制造出高性能、轻量化、超精密的航天薄壁构件成为先进材料与结构设计制造领域普遍关注的难题。本文综述了近年来薄壁构件高性能设计与制造及其航天应用的主要成果,围绕材料-结构多尺度建模与性能表征、多材料多尺度结构设计与增材制造原理、增材制造材料性能与结构设计的交互作用机制等科学问题,就结构优化中的制造工艺约束建模,增材制造工艺参数对结构性能的影响,高性能构件材料-结构一体化设计方法及其在航天结构中的应用展开论述,并展望了未来典型航天薄壁构件材料-结构一体化设计和制造方法发展前景与应用,为未来相关研究工作和航空航天装备研发提供参考。

冷喷涂增材制造技术研究现状及应用与挑战

冷喷涂增材制造技术是一种固态增材方法,其依靠粉末颗粒塑性变形形成结合,增材构件几乎没有氧化、相变及晶粒长大、裂纹等缺陷,较低的沉积温度对基体热影响较小,同时具有增材效率高和制造大构件等优势,已受到多个国家研究团队的关注,被认为是一种强大而有用的增材制造及增材修复技术。鉴于目前冷喷涂增材制造技术受到各国学者和工业界越来越多的关注,本文试图在阐述冷喷涂设备的基础上,总结典型冷喷涂沉积体(Cu、Al、Ti及Ta等材料)组织结构与性能,重点介绍冷喷涂增材制造技术在国防领域的应用和新进展。同时,也指出了目前冷喷涂增材制造技术存在的挑战。最后对冷喷涂增材制造技术发展尚存的问题与发展方向进行了展望。

形状记忆合金结构拓扑优化设计方法研究

形状记忆合金由于其优良的力学特性得到了广泛关注,并形成了一系列具有变革性的创新应用。为了充分提升形状记忆合金结构的力学性能,提出了一种基于实体各向同性材料惩罚模型SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)的形状记忆合金结构拓扑优化方法。基于ZM宏观唯象本构模型,考虑形状记忆合金材料特性,对拓扑优化过程中引入的中间密度材料的奥氏体和马氏体弹性模量以及相变转变应力进行插值。同时,考虑形状记忆合金本身的材料非线性和结构在大变形下的几何非线性效应,以获得准确的力学响应。采用三密度场法来避免最终设计结果出现的棋盘格现象、网格依赖性和大量中间密度单元。利用超单元法来改善由于低密度单元引起的非线性有限元分析过程的数值不稳定问题。利用伴随法对优化模型中的响应函数进行灵敏度分析。最后,通过二维和三维的数值算例验证了本文的优化设计方法,结果表明本文提出的拓扑优化框架能够对预期性能的形状记忆合金结构方案进行求解。

大变形条件下的预应力索桁架天线结构优化设计

传统预应力索桁架天线结构设计往往依赖于经验设计和非梯度方法。为了提高该类结构的优化设计效率,文中提出了一种大变形条件下的预应力索桁架结构拓扑优化方法。该方法以一种预应力修正下的柔顺度指标作为目标函数,以质量分数和强度作为优化约束,通过归一化方法获得连续的设计变量,实现对索桁架结构的拓扑构型、组件尺寸和预应力数值的整体优化设计。目标函数的灵敏度信息可完全通过解析方法获得。数值计算结果表明,该方法对大变形条件下天线单一工况和多工况预应力索桁架优化设计都具有较好的适用性。

基于整体模型的中低雷诺数定常流固耦合拓扑优化研究

当前流固耦合拓扑优化方法的研究突显了在流体和结构力学两套截然不同的控制方程之间交替使用的困难,即在分离的流体和固体域之间施加耦合边界条件的困难。为了解决流固耦合拓扑优化面临的流固界面表达难题,基于流固耦合拓扑优化问题的整体模型,采用多孔介质模型进行材质插值,建立了流固耦合问题的拓扑优化模型,进而通过连续伴随方法获得模型的伴随灵敏度,以及数值求解Navier-Stokes方程和线弹性力学控制方程,实现所建立拓扑优化模型的求解;通过雷诺数1~500的二维悬臂梁和二维通道流固耦合拓扑优化仿真结果,验证了建立的流固耦合拓扑优化模型。

结构优化在空间可展开天线中的应用及展望

空间可展开天线是航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术、面向增材制造的拓扑优化与点阵填充等先进轻量化设计技术的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,着重介绍近年来结构优化技术在空间可展开天线零部件结构优化和馈源阵支撑结构概念设计中的典型应用案例;最后,考虑未来空间超大口径及高精度可展开天线的设计需求,对先进轻量化设计技术的应用前景进行展望。结构优化技术与设计经验相结合,正在推动设计理念的创新,将成为先进航天器设计的核心工具和必备的标准流程。

结构优化技术在高速飞行器上的应用与面临的挑战

高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。

基于拓扑优化的点阵-加筋板式结构设计方法

针对高超声速飞行器仪器舱设备安装板结构轻量化和提高静/动力学性能的设计需求,融合轻质点阵结构与传统加筋结构的优点,提出一种点阵-加筋板式结构方案并建立了拓扑优化设计方法。利用均匀化等效方法计算点阵结构的宏观等效力学性能,将其作为一种虚拟材料,建立实体材料-虚拟材料插值模型。以结构整体质量为约束,整体柔顺度最小为目标建立拓扑优化问题,实现点阵-加筋板式结构布局优化设计。以飞行器设备安装板为例,分别完成了传统加筋结构和点阵-加筋板式结构优化设计。力学性能分析表明,在相同质量条件下,点阵-加筋板式结构方案具有更好的力学性能,大过载下的最大变形降低11.17%,简谐激励下位移响应峰值降低73.81%。

考虑动力学响应的天线座拓扑-自由尺寸协同优化设计

结构的动力学响应设计是复杂装备设计与制造过程中一个不可回避的问题。针对复杂舰载天线座结构的设计需求提出了考虑动力学响应的拓扑-自由尺寸协同优化设计方法。以加权频率最大化为目标函数,简谐激励下结构的应力幅值为约束,构建协同优化模型并推导目标函数以及约束函数的灵敏度信息。针对复杂天线座结构板壳实体混合模型,进行协同设计,由拓扑优化结果确定内部材料分布,自由尺寸优化结果确定壳体的大致厚度分布,并在考虑工艺性基础上进行精确尺寸设计。随后对优化模型进行重构并分析校核。采用协同优化方法能够有效减少设计过程中的反复迭代,提升设计效率。设计结果表明,该方法能够显著提升结构的固有频率,大幅降低最苛刻工况下结构最大应力、位移幅值,实现性能更为优异的天线座结构设计。

发动机外涵道机匣加筋布局轻量化设计

针对某型发动机外涵道机匣的极致轻量化设计需求,首先以结构刚度最大化为目标,开展了薄壁机匣结构复杂工况下的加筋布局拓扑优化设计;进一步考虑机匣服役工况下的屈曲稳定性要求,系统性研究了工程常见4种加筋构型与结构抗屈曲性能的关联关系;最后,考虑制造工艺约束,建立了外涵道机匣的周期性加筋参数化模型,综合结构刚度、强度和稳定性要求,构建了基于加筋应力水平和结构抗屈曲性能等的综合优化设计目标,并开展了加筋尺寸优化设计。优化得到的外涵道机匣加筋设计方案较原始设计模型减重近40%,与1.3 mm等厚机匣相比,不仅满足结构刚度与强度设计要求,同时实现了结构外部压强临界屈曲载荷212.9%的提升,有效保障了发动机机匣严酷载荷工况下的服役稳定性。

考虑接头参数化的空间桁架轻量化设计

提出了一种考虑接头参数化建模的连杆布局优化方法,该建模过程是基于轴线夹角及尺寸完成的。管状接头结构的几何特性由被连接杆件之间的相互位置和尺寸决定,通过将其相对位置转化为接头轴线夹角,将其尺寸转化为接头主管及支管尺寸实现了接头有限元模型的参数化建模。接头结构的空间位置可由被连接件的空间位置转化的轴线交点决定,综上可以实现接头有限元模型的嵌入及整体桁架结构的有限元模型建立。利用基于高斯过程的贝叶斯方法对于桁架连杆布局进行优化设计,同时将制造难度纳入考虑并给出具体的设计方案。数值算例表明,优化方法可有效提高优化目标即结构固有频率。