飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架的輕量化設(shè)計(jì)及3D打印

摘 要：輕量化一直是航空航天領(lǐng)域的主要研究方向，是減少燃油消耗和提高飛行器性能的重要手段。本文針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架，綜合運(yùn)用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)，在保持力學(xué)性能不變的前提下減重63%，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，從而提高了飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)縮短了研發(fā)和制造周期，該方法有望成為一種新型的零件設(shè)計(jì)及成型手段。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架;輕量化;創(chuàng)成式設(shè)計(jì);3D打印

1 引言

在航空發(fā)展史上，飛機(jī)在不降低力學(xué)性能的前提下降低重量一直是研究的重點(diǎn)，飛機(jī)零件每減輕一點(diǎn)重量就可以減少大量的燃油消耗[1]，同時(shí)還會(huì)提高飛行性能，因此重量已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。

實(shí)現(xiàn)輕量化通常有兩種途徑，一種是是采用更輕更強(qiáng)的先進(jìn)材料，如合金材料、高分子材料、復(fù)合材料等;另一種是采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]，如中空結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)等。

本文正是基于以上思路，以飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架為例，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，采用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合3D打印技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零部件的輕量化設(shè)計(jì)制造。

2 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)過(guò)程

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design）是一個(gè)人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過(guò)程[3]。該方法根據(jù)設(shè)計(jì)者的意圖，通過(guò)創(chuàng)成式系統(tǒng)，生成潛在的可行性方案的幾何模型，進(jìn)行綜合對(duì)比后續(xù)優(yōu)化，篩選出多個(gè)設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行最后的決策。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域提到最多的可能還是拓?fù)湓O(shè)計(jì)[4]，有時(shí)兩者還會(huì)被混淆。拓?fù)湓O(shè)計(jì)主要優(yōu)化的是給定的設(shè)計(jì)，如果這個(gè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師通過(guò)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式創(chuàng)建的，那么它本質(zhì)上是設(shè)計(jì)師對(duì)于如何解決問(wèn)題的最佳猜測(cè)，這種預(yù)定幾何體的方法本身就已經(jīng)有了限定，同時(shí)也就會(huì)約束在這個(gè)基礎(chǔ)上所得到的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。然而，依賴于計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)自我創(chuàng)新設(shè)計(jì)的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法則不會(huì)像人類大腦一樣受到約束，它可以避免設(shè)計(jì)師人為的設(shè)計(jì)習(xí)慣和局限。這是由于創(chuàng)成式設(shè)計(jì)并不是基于設(shè)計(jì)師預(yù)定義的模型，而是輸入設(shè)計(jì)意圖，同時(shí)設(shè)定參數(shù)，并通過(guò)軟件算法來(lái)探索每種潛在方案，根據(jù)限定參數(shù)提供數(shù)以百計(jì)的選項(xiàng)，算法將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整判斷，篩選出模型供設(shè)計(jì)者決策，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

對(duì)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架的輕量化設(shè)計(jì)，運(yùn)用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，無(wú)疑大大提高了設(shè)計(jì)的多樣性，使更多的無(wú)法在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維里出現(xiàn)的造型設(shè)計(jì)出來(lái)。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是未來(lái)智造的核心技術(shù)，也是一種開(kāi)拓性技術(shù)。它是基于所想要達(dá)到的要求，如耐久性，柔韌性和重量，由計(jì)算機(jī)算法來(lái)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。它能夠產(chǎn)生復(fù)雜的、高性能的結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)是無(wú)法依靠設(shè)計(jì)者的想象能夠?qū)崿F(xiàn)。

在本設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)有關(guān)幾何尺寸創(chuàng)建飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架的原始模型，如圖1所示。再設(shè)置零件材料、邊界條件、有效載荷、約束等初始條件，然后利用軟件進(jìn)行創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。最后從生成的多個(gè)結(jié)果中篩選出最佳方案，如圖2所示，相比原始模型重量減輕了2.82kg，大約63%的重量。

3 3D打印工藝

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)大大提高了設(shè)計(jì)的多樣性，但是設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品在傳統(tǒng)工藝下很難加工，而得益于3D打印技術(shù)，產(chǎn)品的復(fù)雜性不再成為制造的障礙，所以創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)往往不可分割。

3D打印也叫做增材制造，有別于傳統(tǒng)的減材和等材制造，其制造過(guò)程是在計(jì)算機(jī)輔助下，通過(guò)三維建模、分層切片、逐層堆積材料，最終形成三維立體實(shí)物的一個(gè)加工過(guò)程。在本設(shè)計(jì)中，以選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)[5]作為成型手段，可直接打印得到結(jié)構(gòu)致密、性能優(yōu)異的支架實(shí)物，作為功能驗(yàn)證的樣件，具有制造靈活和節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性，3D打印技術(shù)又為復(fù)雜零件的快速制造提供了技術(shù)保障。兩者的有機(jī)融合正在顛覆傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造模式，引起一系列的關(guān)于制造業(yè)的重大變革。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與3D打印將設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加智能，讓設(shè)計(jì)的門(mén)檻進(jìn)一步降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鐵亮，丁運(yùn)亮，金海波，張珍銘.航天器天線桁架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（06）：603-610.

[2]徐福祥.衛(wèi)星工程概論[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2003：76-81.

[3]金棟平，紀(jì)斌.機(jī)翼后緣柔性支撐結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化[J].航空學(xué)報(bào)，2015，36（08）：2681-2687.

[4]龍凱，左正興，閆清東.靜動(dòng)態(tài)多目標(biāo)下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[J]宇航學(xué)報(bào)，2007，28（5）：135-136.

[5]王華明.航空高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成形研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2005（12）：26-28.

作者簡(jiǎn)介：

高翔（1982-），男，安徽蕪湖人，碩士，助教，主要從事材料成型方面的研究.

基金項(xiàng)目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院2019年校級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（Wzyzr201912）