面向增材制造的飛機主承力結構優化設計

來希雪 馮建春

摘要：21世紀，我國的科學技術快速發展，在這個前提之下民用飛機交通已經大規模地投入到日常生活的使用，所以對于民用飛機的使用效率以及飛機質量等是需要工作人員大力研究的方向，特別是對于民用飛機的主承力結構以及制造材料需要利用特殊的手段來加以研究。這些方面需要從民用飛機當中結構分布的特點和結構優化等方面來分析，研究出更加科學、承力能力更加強的民用飛機主承力結構，以縮短飛機建造過程的施工周期、提高結構部件質量的措施，同時將改進后的方法做比較，更好的實現所期待的目標。

Abstract： In the 21st century， the rapid development of science and technology in our country， under this premise， civil aircraft transportation has been put into daily use on a large scale， so the use efficiency and aircraft quality of civil aircraft are the directions that need to be studied by the staff. ， Especially the main bearing structure and manufacturing materials of civil aircraft need to be studied by special methods. These aspects need to be analyzed from the characteristics of structural distribution and structural optimization in civil aircraft， and a more scientific and stronger main bearing structure of civil aircraft can be studied to shorten the construction period of the aircraft construction process and improve the quality of structural components. At the same time， the improved methods will be compared to achieve the desired goals better.

關鍵詞：增材制造;主承力;結構優化

Key words： additive manufacturing;main bearing capacity;structural optimization

中圖分類號：V214.19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0092-02

1? 優化方法

1.1 SIMP密度插值方法

根據研究對象的不同，拓撲優化問題一般可分為離散結構拓撲優化和連續結構拓撲優化。本文的研究對象是節點，因此，它主要研究優化連續體結構拓撲的方法。這類優化問題的數學模型主要包括均質化方法，變密度方法，獨立連續映射（ICM）方法和漸進結構優化（ESO）方法，其中可變密度模型是當今使用最廣泛的模型。基本思想是通過插值來表示元素的密度與材料的相應彈性模量之間的關系，該插值是介于0和1之間的連續變量的函數，并假定材料的剛度與元素的密度。在變密度方法中，最常用的方法是固體各向同性懲罰法（SIMP），其內插公式相對簡單，即E（xi）=Emin+xpi（E0-Emin）。

其中，Xi是單位相對密度的設計變量;P是為減少中間插值變量的存在而人為固定的懲罰系數。Emin和E0分別表示某些材料的彈性模量，這些材料在設計區域的相對密度約為0和1，通常Emin=E0/1000，以避免剛度矩陣的奇異性通過將懲罰系數P引入彈性模量插值公式，大量材料的相對彈性模量E（Xi）趨于0，從而將元素數量大大減少到結構中的“半有半無”狀態。

1.2 優化問題的數學模型

此模型研究了靜力載荷作用下空間結構的節點。結構靜態拓撲優化的最常見目標是最大靜態剛度（即最小的柔韌性）。可以通過以下數學語言描述以結構的體積分數為約束條件的拓撲優化問題：

式中：設計變量X={x1，x2，x3，…，xi}T為經有限元離散后的單元相對密度;Ω為優化設計變量的集合;C為結構的柔度;K、U和F分別代表結構的整體剛度、位移和外荷載矩陣;V（xi）和V*分別為結構的實際體積關于變量xi的函數和整個優化問題的約束體積分數值;xmin和xmax分別為設計變量的上下限值;i為單元數量。

1.3 優化設計工具

Altair Solidthinking Inspire Optimization，是高級Hyper Works Opti Struct求解器拓撲優化工具中的一種，采用程序的SIMP方法建立應用數學程序變量迭代計算的拓撲優化數學模型。Inspire結合了幾何建模、結構仿真、優化分析與制造過程仿真，能夠很大程度上幫助設計人員快速實現符合結構性能的輕質結構，并減少執行優化工作所需的時間與拓撲優化工作的原始設計的成本。Evolve則是一個工程與工業設計的融合并結合了Inspire的創新建模過程。

2? 優化節點的增材制造

增材制造（AM）技術也被稱為3D打印技術，是近年來世界上新興的工業制造技術。它沒有繼承傳統的制造方法中以刪除材料為主要優化手段的理念，而是將“減去”材料的概念轉變為“添加”材料的概念。并且其基于數字模型文件，通過使用粉末狀粘合劑材料逐層堆疊對象來構造所需要的優化構件。而拓撲優化的空間結構節點具有非常復雜的幾何形狀，通常很難通過傳統制造技術來實現。增材制造技術的引入可以為制造此類結構提供新的可行方法。

2.1 非金屬節點的增材制造

由浙江大學獨立開發的具有熔融沉積模型（FDM）的3D打印機用于打印和制造優化的節點模型是一種較為不錯的途徑。在制造過程當中所使用的材料是聚乳酸，即：PLA。目前，這種非金屬材料增材制造技術相對成熟且價格便宜，適合在設計探索階段對節點模型原型進行嘗試性的生產。

2.2 金屬節點的增材制造

金屬增材制造的成熟度和可靠性相對較高，其是采用ep-M250SLM金屬增材制造打印機的選擇性激光熔化技術（SLM）來實現的，該打印機由316L不銹鋼印刷而成。在最大剛度的設計條件下，外圈的脊索節點的印刷結果相對較好。在最低質量設計條件下，外圈和內圈的脊索節點具有良好的表面光滑度和較高的材料密度。目前，金屬增材制造工藝上面的直接技術尚處于技術實現階段，并且由于其價格高和后期處理復雜，通常情況下不適合大規模生產。另一方面，具有更大發展前景和應用價值的金屬節點制造工藝是將增材制造技術與傳統制造技術相結合的“快速鑄造”工藝。該工藝具有快速、方便、經濟和環保的優點，并且部件性能可以比直接金屬印刷產品更好。它主要包括兩種方法：①制作用于精密損失蠟鑄造的蠟模;②制作砂模或砂芯進行砂型鑄造。

3? 優化方案準備

3.1 尺寸的控制

在民用飛機的承力構件的施工過程當中，需要嚴格的按照圖紙進行尺寸的分析，并且在安裝的時候要對承力構件的公差做出要求，提高承力構件安裝的工程質量，在施工時要做好記錄保留下相關的資料。比如以民用飛機當中行李架上的火災探測器和裝飾燈條當中的承力構件為例子進行分析，火災探測器的擺放位置與所需要的尺寸應該由行李架的外形安裝支架來決定，安裝時要做好誤差分析，探測器的中心要正對著行李架上面的網狀結構，這樣才能夠保證能夠及時的檢測到煙霧;行李架上的裝飾燈條應該安裝在預留好的特殊孔狀結構之中，并且在安裝的時候也要控制好精度與誤差，要注意安裝角度與行李架間隙之間的距離，這樣才能夠保證燈具具有良好的照明效果。行李架上的其他電氣設備在預組時也應該按照生命的方法來控制好尺寸，保證民用飛機承力構件在整體施工時的質量。

3.2 質量的控制

想要提高民用飛機當中承力構件的施工質量，那么在施工過程當中就應該嚴格的記錄好安裝的數據，并且還要模擬主承力構件在完工后的工作狀態，檢查其是否正常。同時，工作人員也應該及時的掌握各個結構當中主承力構件安裝的工藝要點和質量標準，如果在檢測過程當中發現與標準不符的主承力構件，那么應該及時更換、重新安裝。同時在主承力構件施工的過程當中，要避免使用鉆孔攻絲的手段，要利用主承力構件在加工時自身攜帶的安裝螺紋孔來進行固定，這樣能夠有效地避免主承力構件安裝過程當中廢屑的產生，在很大程度上解決了安全的隱患，提高了主承力構件的安裝效率的同時也保證了飛機的質量。

4? 增材制造技術在飛機主承力結構優化當中的優點

在現階段的民用航空飛機的構件制造過程當中，通過增材制造技術的大力支持下，3D打印技術制造飛機主承力構件的方式漸漸的成為了現如今主要的生產方式，這種技術的使用使得所生產出的產品的性能和用途得到了很大程度的提高，基于這種背景之下，很多航空企業都加大了對增材制造技術在民用航空航天企業當中運用以及提高航空產品在市場當中的占有比例。總的來說，增材制造技術在飛機主承力構件的生產行業方面有以下幾點運用：①使航空飛機產品的設計流程更加簡便精確。在飛機的生產產品的設計過程當中，增材制造技術的使用能夠使產品的設計流程更加規范，對每一種組件、器材的價值擁有更加準確的識別度，并且運用增材制造技術當中所涉及到的器材還能夠加強飛機主承力構件產品的設計成效。這種技術相比較傳統的主承力構件設計技術而言，能夠擁有更加簡便的產品設計流程，得到的產品質量更高。②能夠為飛機主承力構件的生產工作提供較好的優化支持。在工廠對航空產品進行生產的時候，制造商能夠使用增材制造技術來對航空產品當中存在的故障進行檢查和識別、跟蹤其發生故障的組件與設備、分析出現此故障的原因以及對這種故障的維修方案進行制定，這樣可以將飛機主承力構件的設計過程從傳統被動優化模式轉換為主動優化的模式。

5? 增材制造技術當中的系統編程

材料單元的控制技術是增材制造技術當中所使用的主要設計模式。分別由初始化程序、手動程序、自動控制程序以及報警程序等板塊構成。增材制造技術在使用過程中雖然方便，但是對于其的編寫過程是一個比較龐大且復雜的過程，所以通常采用GX Developer軟件對其進行編寫。這款軟件對比于其他軟件具有簡單、功能齊全等特點，特別是它能夠在線編寫程序，所以對于控制系統的調試與故障的診斷特別容易。現如今的計算機大多都是采用的Windows操作系統，所以對于編寫好的材料單元的控制系統的程序將其存入程序儲存器，這樣對于程序的修檢、驗證都比較容易，并且還可以對編寫程序時的狀態進行監控。這個部分當中MCGSE組織環境軟件是觸摸屏操作界面所需要的條件。

6? 結束語

總而言之，在飛機的主承力構件的優化過程當中涉及到了很多方面的知識，有計算機專業、材料加工與成型技術、數控系統等，對于提高飛機主承力構件的設計效率以及質量具有十分重要的積極意義，所以我國相關科研人員應該加大增材制造技術的創新與研究，以期設計出更加科學、合理的飛機主承力構件，為我國的航空航天工業的進步提供良好的技術支持，也使我國人們對于飛機這種交通工具的使用能夠更加放心，體驗能夠更加舒適。

參考文獻：

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