飞机发动机支架的轻量化设计及3D打印

摘 要：轻量化一直是航空航天领域的主要研究方向，是减少燃油消耗和提高飞行器性能的重要手段。本文针对飞机发动机支架，综合运用创成式设计与3D打印技术，在保持力学性能不变的前提下减重63%，实现了轻量化设计，从而提高了飞机的燃油经济性，同时缩短了研发和制造周期，该方法有望成为一种新型的零件设计及成型手段。

关键词：飞机发动机支架;轻量化;创成式设计;3D打印

1 引言

在航空发展史上，飞机在不降低力学性能的前提下降低重量一直是研究的重点，飞机零件每减轻一点重量就可以减少大量的燃油消耗[1]，同时还会提高飞行性能，因此重量已成为衡量飞机先进性的重要指标之一。

实现轻量化通常有两种途径，一种是是采用更轻更强的先进材料，如合金材料、高分子材料、复合材料等;另一种是采用轻量化结构设计[2]，如中空结构、薄壁结构、点阵结构、一体化结构等。

本文正是基于以上思路，以飞机发动机支架为例，从结构优化入手，采用创成式设计方法，并结合3D打印技术，最终实现飞机零部件的轻量化设计制造。

2 创成式设计过程

创成式设计（Generative Design）是一个人机交互、自我创新的过程[3]。该方法根据设计者的意图，通过创成式系统，生成潜在的可行性方案的几何模型，进行综合对比后续优化，筛选出多个设计方案推送给设计者进行最后的决策。

在结构优化领域提到最多的可能还是拓扑设计[4]，有时两者还会被混淆。拓扑设计主要优化的是给定的设计，如果这个设计是设计师通过传统设计方式创建的，那么它本质上是设计师对于如何解决问题的最佳猜测，这种预定几何体的方法本身就已经有了限定，同时也就会约束在这个基础上所得到的优化设计方案。然而，依赖于计算机算法实现自我创新设计的创成式设计方法则不会像人类大脑一样受到约束，它可以避免设计师人为的设计习惯和局限。这是由于创成式设计并不是基于设计师预定义的模型，而是输入设计意图，同时设定参数，并通过软件算法来探索每种潜在方案，根据限定参数提供数以百计的选项，算法将自动进行调整判断，筛选出模型供设计者决策，直到获得最优化的设计。

对于飞机发动机支架的轻量化设计，运用创成式设计，无疑大大提高了设计的多样性，使更多的无法在传统设计思维里出现的造型设计出来。创成式设计是未来智造的核心技术，也是一种开拓性技术。它是基于所想要达到的要求，如耐久性，柔韧性和重量，由计算机算法来创建结构。它能够产生复杂的、高性能的结构，而这种结构是无法依靠设计者的想象能够实现。

在本设计中，首先根据有关几何尺寸创建飞机发动机支架的原始模型，如图1所示。再设置零件材料、边界条件、有效载荷、约束等初始条件，然后利用软件进行创成式设计。最后从生成的多个结果中筛选出最佳方案，如图2所示，相比原始模型重量减轻了2.82kg，大约63%的重量。

3 3D打印工艺

创成式设计大大提高了设计的多样性，但是设计出来的产品在传统工艺下很难加工，而得益于3D打印技术，产品的复杂性不再成为制造的障碍，所以创成式设计与3D打印技术往往不可分割。

3D打印也叫做增材制造，有別于传统的减材和等材制造，其制造过程是在计算机辅助下，通过三维建模、分层切片、逐层堆积材料，最终形成三维立体实物的一个加工过程。在本设计中，以选择性激光熔化（SLM）技术[5]作为成型手段，可直接打印得到结构致密、性能优异的支架实物，作为功能验证的样件，具有制造灵活和节省材料的优点。

4 结束语

创成式设计突破了传统设计的局限性，3D打印技术又为复杂零件的快速制造提供了技术保障。两者的有机融合正在颠覆传统的设计制造模式，引起一系列的关于制造业的重大变革。创成式设计与3D打印将设计过程变得更加智能，让设计的门槛进一步降低。

参考文献：

[1]张铁亮，丁运亮，金海波，张珍铭.航天器天线桁架结构多目标优化设计[J].固体力学学报，2012，33（06）：603-610.

[2]徐福祥.卫星工程概论[M].北京：中国宇航出版社，2003：76-81.

[3]金栋平，纪斌.机翼后缘柔性支撑结构的拓扑优化[J].航空学报，2015，36（08）：2681-2687.

[4]龙凯，左正兴，闫清东.静动态多目标下的连续体结构拓扑优化[J]宇航学报，2007，28（5）：135-136.

[5]王华明.航空高性能金属结构件激光快速成形研究进展[J].航空制造技术，2005（12）：26-28.

作者简介：

高翔（1982-），男，安徽芜湖人，硕士，助教，主要从事材料成型方面的研究.

基金项目：芜湖职业技术学院2019年校级自然科学研究项目（Wzyzr201912）