面向增材制造的飞行器结构优化设计关键问题

围绕飞行器复杂结构整体构型研制的高性能、轻量化苛刻需求,着重介绍了面向增材制造的结构优化设计面临的系列关键问题以及相关研究成果。分别从面向增材制造的结构多承载环节整体优化建模与性能分析、整体结构多学科性能与功能综合设计方法、跨尺度结构-微结构性能表征与尺度效应的影响机理,以及增材制造工艺对整体结构件性能的影响机理和制造工艺约束4个方面,阐述如何从结构力学与工艺力学角度科学实现最优性能设计与先进增材制造技术的完美匹配与融合。

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.

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。

面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。

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。

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。

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。

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。

激光成形修复K418高温合金的微观组织与硬度

采用激光立体成形技术对K418合金进行了成形修复,研究了其微观组织与硬度。结果表明,修复K418合金由基体区、热影响区与激光修复区组成,分别由形貌、大小及数量不同的γ-FeCr0.29Ni0.16C0.06基体相、γ′-Ni3Al相及碳化物相组成;铸造基体区与修复区呈紧密的冶金结合,修复区组织呈沉积方向外延生长的柱状晶及连续的层带状结构。在同一沉积层中由于存在粗大树枝晶区与细小树枝晶区而具有不同的硬度。铸造基体区、热影响区与激光修复区的平均硬度值(HV)分别为432.4、499.4、490.6。

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.