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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

循环对称结构的多尺度拓扑优化方法

研究了循环对称结构多尺度拓扑优化问题,阐明了均匀化等效性能的基本性质,提出了循环对称单胞的特征参数概念,建立了均匀化映射计算方法,构造了等效性能的三元参数插值模型,有效简化了不同特征参数、微结构构型与体分比下的单胞均匀化等效过程。通过微结构的特征驱动建模与B样条参数化,克服了微结构拓扑优化变量多和变量离散难以保证其光滑连接的问题。给出了典型数值算例,比较了等比例排列单胞与等间距排列单胞对结构优化结果的影响,验证了多尺度优化方法的有效性。

基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法

为继承传统拓扑优化泡泡法变量少、精度高等优点,并克服其网格重划频繁、孔洞合并操作繁琐等不足,提出了一种基于固定网格和拓扑导数的自适应泡泡方法.该方法的主要特点是:(1)采用有限胞元固定网格分析方法计算结构力学响应,在优化过程中无需网格更新和重划分,就能保证较高的分析精度;(2)根据拓扑导数信息指导结构区域中孔洞的引入,不仅消除了优化结果对孔洞初始布局的依赖性,还能有效控制设计变量的数量;(3)引入拓扑导数阈值和孔洞影响区域新概念,实现了孔洞引入频次和位置的自适应调节,保证了拓扑优化过程的数值计算稳定性;(4)采用光滑变形隐式曲线描述孔洞边界,不仅设计参数少、变形能力强,而且便于处理孔洞间的融合/分离操作以及与固定网格分析方法的有机结合.理论分析和数值算例表明,改进后的自适应泡泡法能够消除传统泡泡法因采用拉格朗日网格和参数化B样条曲线模型而存在的实施困难,采用很少的设计变量就可获得边界光滑清晰的优化结果.

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。

简谐力激励下多组件结构系统的整体优化设计

多组件结构系统整体优化设计通过协同优化支撑结构拓扑构型和组件布局来使结构系统的位移响应最小。本文提出通过模态加速度法(MAM)求解多组件结构系统的位移响应,并以位移响应值最小作为优化目标;引入多点约束(MPC)方法模拟组件与设计域间的铆钉或螺栓连接形式;采用有限包络圆法(FCM)来避免组件之间及组件与设计域边界产生干涉。建立了多组件结构系统整体优化问题的数学模型,并对动响应目标函数关于设计变量的灵敏度进行了推导。最后,通过几个算例验证了整体优化方法在简谐力激励下求解问题的可行性及其在实际问题中的有效性。

特征驱动的结构拓扑优化方法

本文提出一种以特征作为结构拓扑优化基本设计要素的方法.该方法从CAD特征设计概念出发,通过采用隐式水平集函数建立结构的特征模型,将结构拓扑优化转化为设计域内特征布局和形状优化问题,避免了传统拓扑优化方法仅从力学性能角度寻优材料分布,导致拓扑优化结果过于抽象、工程特征差的弊端.本文针对给定体积约束条件下的结构柔顺度最小化问题,发展了固定网格框架下结构响应分析与形状灵敏度分析计算方法,理论上保证了灵敏度计算精度与结构水平集函数的数学表达形式无关.最后以带孔悬臂梁结构与飞机发动机支架结构为例,采用超椭圆/球特征设计要素验证了该方法的有效性与优越性.

形状记忆合金驱动的可变翼梢小翼设计与验证

智能材料如形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料等,可将驱动、承载、变形、传感集于一体,可作为驱动结构代替传统复杂作动机构,显著提高系统的紧凑性。为满足现有航空航天变体结构的实际需求,设计并验证了一种形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)驱动的可变翼梢小翼。基于开发的三维SMA本构模型,对SMA杆件驱动的翼梢小翼变形过程进行了数值仿真,并分析了不同SMA杆型对翼梢小翼变形能力的影响。结合增材制造技术,对设计出的变形翼梢小翼进行样机制作。进行了单次变弯、往复变弯试验验证,并与数值仿真结果进行分析对比。结果表明,试验测得变形数据和仿真结果吻合良好,设计出的变形翼梢小翼具有较好的变形能力和效果。最后分析了SMA杆冷却速度对变形能力的影响,评估了翼梢小翼变形过程中出现蒙皮屈曲的原因并提出了后续研究方案。

形状记忆合金力学行为与应用综述

论文对形状记忆合金的特性、本构模型及其在不同领域中的应用进行了综述.分析了形状记忆合金材料和力学特性及其在智能结构中的应用.介绍了现有微观、介观和宏观本构模型描述形状记忆合金热力学行为的方法和特点.详细阐述了形状记忆合金在不同领域的应用现状,特别总结了结构优化技术在提升智能结构性能方面的应用,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,并对其在智能结构中的关键技术与未来发展方向进行了探讨.