面向增材制造的飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

來希雪 馮建春

摘要：21世紀(jì)，我國的科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，在這個(gè)前提之下民用飛機(jī)交通已經(jīng)大規(guī)模地投入到日常生活的使用，所以對于民用飛機(jī)的使用效率以及飛機(jī)質(zhì)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(jī)的主承力結(jié)構(gòu)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(jī)當(dāng)中結(jié)構(gòu)分布的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面來分析，研究出更加科學(xué)、承力能力更加強(qiáng)的民用飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)，以縮短飛機(jī)建造過程的施工周期、提高結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量的措施，同時(shí)將改進(jìn)后的方法做比較，更好的實(shí)現(xiàn)所期待的目標(biāo)。

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(guān)鍵詞：增材制造;主承力;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

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

1? 優(yōu)化方法

1.1 SIMP密度插值方法

根據(jù)研究對象的不同，拓?fù)鋬?yōu)化問題一般可分為離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和連續(xù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。本文的研究對象是節(jié)點(diǎn)，因此，它主要研究優(yōu)化連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)涞姆椒ā＿@類優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型主要包括均質(zhì)化方法，變密度方法，獨(dú)立連續(xù)映射（ICM）方法和漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化（ESO）方法，其中可變密度模型是當(dāng)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(yīng)彈性模量之間的關(guān)系，該插值是介于0和1之間的連續(xù)變量的函數(shù)，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(nèi)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(shè)計(jì)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(shù)。Emin和E0分別表示某些材料的彈性模量，這些材料在設(shè)計(jì)區(qū)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(shù)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?cái)?shù)量大大減少到結(jié)構(gòu)中的“半有半無”狀態(tài)。

1.2 優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型

此模型研究了靜力載荷作用下空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)靜態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化的最常見目標(biāo)是最大靜態(tài)剛度（即最小的柔韌性）。可以通過以下數(shù)學(xué)語言描述以結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)為約束條件的拓?fù)鋬?yōu)化問題：

式中：設(shè)計(jì)變量X={x1，x2，x3，…，xi}T為經(jīng)有限元離散后的單元相對密度;Ω為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的集合;C為結(jié)構(gòu)的柔度;K、U和F分別代表結(jié)構(gòu)的整體剛度、位移和外荷載矩陣;V（xi）和V*分別為結(jié)構(gòu)的實(shí)際體積關(guān)于變量xi的函數(shù)和整個(gè)優(yōu)化問題的約束體積分?jǐn)?shù)值;xmin和xmax分別為設(shè)計(jì)變量的上下限值;i為單元數(shù)量。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)工具

Altair Solidthinking Inspire Optimization，是高級Hyper Works Opti Struct求解器拓?fù)鋬?yōu)化工具中的一種，采用程序的SIMP方法建立應(yīng)用數(shù)學(xué)程序變量迭代計(jì)算的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型。Inspire結(jié)合了幾何建模、結(jié)構(gòu)仿真、優(yōu)化分析與制造過程仿真，能夠很大程度上幫助設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn)符合結(jié)構(gòu)性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，并減少執(zhí)行優(yōu)化工作所需的時(shí)間與拓?fù)鋬?yōu)化工作的原始設(shè)計(jì)的成本。Evolve則是一個(gè)工程與工業(yè)設(shè)計(jì)的融合并結(jié)合了Inspire的創(chuàng)新建模過程。

2? 優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的增材制造

增材制造（AM）技術(shù)也被稱為3D打印技術(shù)，是近年來世界上新興的工業(yè)制造技術(shù)。它沒有繼承傳統(tǒng)的制造方法中以刪除材料為主要優(yōu)化手段的理念，而是將“減去”材料的概念轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤砑印辈牧系母拍睢２⑶移浠跀?shù)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(gòu)造所需要的優(yōu)化構(gòu)件。而拓?fù)鋬?yōu)化的空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)具有非常復(fù)雜的幾何形狀，通常很難通過傳統(tǒng)制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。增材制造技術(shù)的引入可以為制造此類結(jié)構(gòu)提供新的可行方法。

2.1 非金屬節(jié)點(diǎn)的增材制造

由浙江大學(xué)獨(dú)立開發(fā)的具有熔融沉積模型（FDM）的3D打印機(jī)用于打印和制造優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)模型是一種較為不錯(cuò)的途徑。在制造過程當(dāng)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(shù)相對成熟且價(jià)格便宜，適合在設(shè)計(jì)探索階段對節(jié)點(diǎn)模型原型進(jìn)行嘗試性的生產(chǎn)。

2.2 金屬節(jié)點(diǎn)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(jī)的選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）來實(shí)現(xiàn)的，該打印機(jī)由316L不銹鋼印刷而成。在最大剛度的設(shè)計(jì)條件下，外圈的脊索節(jié)點(diǎn)的印刷結(jié)果相對較好。在最低質(zhì)量設(shè)計(jì)條件下，外圈和內(nèi)圈的脊索節(jié)點(diǎn)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(shù)尚處于技術(shù)實(shí)現(xiàn)階段，并且由于其價(jià)格高和后期處理復(fù)雜，通常情況下不適合大規(guī)模生產(chǎn)。另一方面，具有更大發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值的金屬節(jié)點(diǎn)制造工藝是將增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合的“快速鑄造”工藝。該工藝具有快速、方便、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，并且部件性能可以比直接金屬印刷產(chǎn)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?zāi)?②制作砂模或砂芯進(jìn)行砂型鑄造。

3? 優(yōu)化方案準(zhǔn)備

3.1 尺寸的控制

在民用飛機(jī)的承力構(gòu)件的施工過程當(dāng)中，需要嚴(yán)格的按照圖紙進(jìn)行尺寸的分析，并且在安裝的時(shí)候要對承力構(gòu)件的公差做出要求，提高承力構(gòu)件安裝的工程質(zhì)量，在施工時(shí)要做好記錄保留下相關(guān)的資料。比如以民用飛機(jī)當(dāng)中行李架上的火災(zāi)探測器和裝飾燈條當(dāng)中的承力構(gòu)件為例子進(jìn)行分析，火災(zāi)探測器的擺放位置與所需要的尺寸應(yīng)該由行李架的外形安裝支架來決定，安裝時(shí)要做好誤差分析，探測器的中心要正對著行李架上面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣才能夠保證能夠及時(shí)的檢測到煙霧;行李架上的裝飾燈條應(yīng)該安裝在預(yù)留好的特殊孔狀結(jié)構(gòu)之中，并且在安裝的時(shí)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(shè)備在預(yù)組時(shí)也應(yīng)該按照生命的方法來控制好尺寸，保證民用飛機(jī)承力構(gòu)件在整體施工時(shí)的質(zhì)量。

3.2 質(zhì)量的控制

想要提高民用飛機(jī)當(dāng)中承力構(gòu)件的施工質(zhì)量，那么在施工過程當(dāng)中就應(yīng)該嚴(yán)格的記錄好安裝的數(shù)據(jù)，并且還要模擬主承力構(gòu)件在完工后的工作狀態(tài)，檢查其是否正常。同時(shí)，工作人員也應(yīng)該及時(shí)的掌握各個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中主承力構(gòu)件安裝的工藝要點(diǎn)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如果在檢測過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)不符的主承力構(gòu)件，那么應(yīng)該及時(shí)更換、重新安裝。同時(shí)在主承力構(gòu)件施工的過程當(dāng)中，要避免使用鉆孔攻絲的手段，要利用主承力構(gòu)件在加工時(shí)自身攜帶的安裝螺紋孔來進(jìn)行固定，這樣能夠有效地避免主承力構(gòu)件安裝過程當(dāng)中廢屑的產(chǎn)生，在很大程度上解決了安全的隱患，提高了主承力構(gòu)件的安裝效率的同時(shí)也保證了飛機(jī)的質(zhì)量。

4? 增材制造技術(shù)在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)優(yōu)化當(dāng)中的優(yōu)點(diǎn)

在現(xiàn)階段的民用航空飛機(jī)的構(gòu)件制造過程當(dāng)中，通過增材制造技術(shù)的大力支持下，3D打印技術(shù)制造飛機(jī)主承力構(gòu)件的方式漸漸的成為了現(xiàn)如今主要的生產(chǎn)方式，這種技術(shù)的使用使得所生產(chǎn)出的產(chǎn)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(yè)都加大了對增材制造技術(shù)在民用航空航天企業(yè)當(dāng)中運(yùn)用以及提高航空產(chǎn)品在市場當(dāng)中的占有比例。總的來說，增材制造技術(shù)在飛機(jī)主承力構(gòu)件的生產(chǎn)行業(yè)方面有以下幾點(diǎn)運(yùn)用：①使航空飛機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程更加簡便精確。在飛機(jī)的生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，增材制造技術(shù)的使用能夠使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程更加規(guī)范，對每一種組件、器材的價(jià)值擁有更加準(zhǔn)確的識別度，并且運(yùn)用增材制造技術(shù)當(dāng)中所涉及到的器材還能夠加強(qiáng)飛機(jī)主承力構(gòu)件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成效。這種技術(shù)相比較傳統(tǒng)的主承力構(gòu)件設(shè)計(jì)技術(shù)而言，能夠擁有更加簡便的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，得到的產(chǎn)品質(zhì)量更高。②能夠?yàn)轱w機(jī)主承力構(gòu)件的生產(chǎn)工作提供較好的優(yōu)化支持。在工廠對航空產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候，制造商能夠使用增材制造技術(shù)來對航空產(chǎn)品當(dāng)中存在的故障進(jìn)行檢查和識別、跟蹤其發(fā)生故障的組件與設(shè)備、分析出現(xiàn)此故障的原因以及對這種故障的維修方案進(jìn)行制定，這樣可以將飛機(jī)主承力構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程從傳統(tǒng)被動(dòng)優(yōu)化模式轉(zhuǎn)換為主動(dòng)優(yōu)化的模式。

5? 增材制造技術(shù)當(dāng)中的系統(tǒng)編程

材料單元的控制技術(shù)是增材制造技術(shù)當(dāng)中所使用的主要設(shè)計(jì)模式。分別由初始化程序、手動(dòng)程序、自動(dòng)控制程序以及報(bào)警程序等板塊構(gòu)成。增材制造技術(shù)在使用過程中雖然方便，但是對于其的編寫過程是一個(gè)比較龐大且復(fù)雜的過程，所以通常采用GX Developer軟件對其進(jìn)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(diǎn)，特別是它能夠在線編寫程序，所以對于控制系統(tǒng)的調(diào)試與故障的診斷特別容易。現(xiàn)如今的計(jì)算機(jī)大多都是采用的Windows操作系統(tǒng)，所以對于編寫好的材料單元的控制系統(tǒng)的程序?qū)⑵浯嫒氤绦騼Υ嫫鳎@樣對于程序的修檢、驗(yàn)證都比較容易，并且還可以對編寫程序時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。這個(gè)部分當(dāng)中MCGSE組織環(huán)境軟件是觸摸屏操作界面所需要的條件。

6? 結(jié)束語

總而言之，在飛機(jī)的主承力構(gòu)件的優(yōu)化過程當(dāng)中涉及到了很多方面的知識，有計(jì)算機(jī)專業(yè)、材料加工與成型技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)等，對于提高飛機(jī)主承力構(gòu)件的設(shè)計(jì)效率以及質(zhì)量具有十分重要的積極意義，所以我國相關(guān)科研人員應(yīng)該加大增材制造技術(shù)的創(chuàng)新與研究，以期設(shè)計(jì)出更加科學(xué)、合理的飛機(jī)主承力構(gòu)件，為我國的航空航天工業(yè)的進(jìn)步提供良好的技術(shù)支持，也使我國人們對于飛機(jī)這種交通工具的使用能夠更加放心，體驗(yàn)?zāi)軌蚋邮孢m。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玉，李帥帥，于穎.面向增材制造的零件結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（06）：869-879.

[2]朱繼宏，周涵，王創(chuàng)，周璐，袁上欽，張衛(wèi)紅.面向增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來[J].航空制造技術(shù)，2020，63（10）：24-38.