近年來，國外高超聲速飛行器、先進航天運載器飛行故障分析表明，航天薄壁構(gòu)件熱結(jié)構(gòu)失效問題、結(jié)構(gòu)維形失效問題、振動失效問題的根本原因均可歸結(jié)于嚴酷熱-機械耦合載荷環(huán)境下材料-結(jié)構(gòu)-性能的不匹配設(shè)計。為了保證嚴酷服役環(huán)境下的結(jié)構(gòu)防熱、承載、振動等綜合性能以及輕量化設(shè)計要求，必須從宏微觀多尺度以及設(shè)計制造多層面深入挖掘材料-結(jié)構(gòu)潛力，提升材料、結(jié)構(gòu)、工藝等多種因素匹配設(shè)計水平。

        西北工業(yè)大學(xué)張衛(wèi)紅院士團隊在《航空學(xué)報》期刊中發(fā)表了《航天高性能薄壁構(gòu)件的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計》一文。本期將分享該論文的研究亮點。

論文鏈接：
https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2022.27428

 研究亮點

本文主要回顧了近年來薄壁構(gòu)件高性能設(shè)計與制造及其航天應(yīng)用的主要成果，圍繞材料-結(jié)構(gòu)多尺度建模與性能表征、多材料多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計與增材制造原理、增材制造材料性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計的交互作用機制等科學(xué)問題，就結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的制造工藝約束建模，增材制造工藝參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響，高性能構(gòu)件材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法及航天結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用展開論述，并展望了未來典型航天薄壁構(gòu)件材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計和制造方法發(fā)展前景與應(yīng)用，為未來相關(guān)研究工作和航空航天裝備研發(fā)提供參考。

近幾年研究團隊在該方向上取得的主要研究成果如下：

1）制造工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。針對激光增材制造所導(dǎo)致的各向異性特征，提出了多工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)拓撲的協(xié)同優(yōu)化框架，通過物理實驗和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了工藝參數(shù)和材料性能的映射關(guān)系，結(jié)合工程需求建立了三種優(yōu)化模型，用于設(shè)計材料性能和結(jié)構(gòu)拓撲。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，獲得了近似各向同性的成形材料和對應(yīng)的工藝參數(shù)組合，實現(xiàn)了工藝-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。相較于傳統(tǒng)拓撲優(yōu)化設(shè)計進一步提升了結(jié)構(gòu)性能，如圖1所示。

圖1 增材制造工藝-結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化

2）材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。為避免多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化中重復(fù)進行微結(jié)構(gòu)等效計算，提出了參數(shù)化點陣結(jié)構(gòu)和代理模型的概念，即預(yù)先由一組參數(shù)控制生成一系列微結(jié)構(gòu)樣本庫，并基于均勻化理論等效宏觀力學(xué)性能，隨后采用多項式插值建立微結(jié)構(gòu)宏觀性能與控制參數(shù)之間的映射關(guān)系。這一過程不僅與優(yōu)化過程互相分離，而且可以重復(fù)應(yīng)用于不同的優(yōu)化問題中，顯著提升了結(jié)構(gòu)承載性能，同時有效的兼顧了設(shè)計自由度和計算效率，如圖2所示。

圖2 點陣-加筋混雜的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計

3）航空航天應(yīng)用。針對易受振動激勵影響的衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)，基于模態(tài)加速度法提出了動力學(xué)拓撲優(yōu)化方法，在骨骼腔體仿生結(jié)構(gòu)啟發(fā)下，發(fā)展了結(jié)構(gòu)拓撲-點陣構(gòu)型的協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了宏觀結(jié)構(gòu)拓撲和點陣填充樣式的匹配設(shè)計。針對某衛(wèi)星平臺，在保證固有頻率大于50 Hz的前提下，進一步將衛(wèi)星設(shè)備組件布局集成到一體化設(shè)計模型中，在滿足結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)減重32%的設(shè)計目標(biāo)。針對高速飛行器防熱-承載一體化設(shè)計需求，提出了由耐高溫陶瓷基復(fù)合材料層、輕量化隔熱點陣層和金屬加強筋結(jié)構(gòu)組成的多層熱防護系統(tǒng)，并集成結(jié)構(gòu)拓撲變量、點陣位置變量和點陣構(gòu)型參數(shù)三種混合變量，對集成熱防護系統(tǒng)進行一體化設(shè)計，有效提升了熱防護效果同時降低了熱應(yīng)力。針對高超飛行器上的整體式舵面結(jié)構(gòu)，提出了多尺度實體-點陣混雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，其靜剛度和動力學(xué)性能均顯著優(yōu)于純實體結(jié)構(gòu)和純點陣結(jié)構(gòu)方案。

圖3 面向航空航天的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計

原論文信息:

張衛(wèi)紅,周涵,李韶英,朱繼宏,周璐. 航天高性能薄壁構(gòu)件的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計[J]. 航空學(xué)報, 2023, 44(9): 627428.

(責(zé)任編輯：admin)

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