面向增材制造的飞机主承力结构优化设计

来希雪 冯建春

摘要：21世纪，我国的科学技术快速发展，在这个前提之下民用飞机交通已经大规模地投入到日常生活的使用，所以对于民用飞机的使用效率以及飞机质量等是需要工作人员大力研究的方向，特别是对于民用飞机的主承力结构以及制造材料需要利用特殊的手段来加以研究。这些方面需要从民用飞机当中结构分布的特点和结构优化等方面来分析，研究出更加科学、承力能力更加强的民用飞机主承力结构，以缩短飞机建造过程的施工周期、提高结构部件质量的措施，同时将改进后的方法做比较，更好的实现所期待的目标。

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.

關键词：增材制造;主承力;结构优化

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

中图分类号：V214.19                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0092-02

1  优化方法

1.1 SIMP密度插值方法

根据研究对象的不同，拓扑优化问题一般可分为离散结构拓扑优化和连续结构拓扑优化。本文的研究对象是节点，因此，它主要研究优化连续体结构拓扑的方法。这类优化问题的数学模型主要包括均质化方法，变密度方法，独立连续映射（ICM）方法和渐进结构优化（ESO）方法，其中可变密度模型是当今使用最广泛的模型。基本思想是通过插值来表示元素的密度与材料的相应弹性模量之间的关系，该插值是介于0和1之间的连续变量的函数，并假定材料的刚度与元素的密度。在变密度方法中，最常用的方法是固体各向同性惩罚法（SIMP），其内插公式相对简单，即E（xi）=Emin+xpi（E0-Emin）。

其中，Xi是单位相对密度的设计变量;P是为减少中间插值变量的存在而人为固定的惩罚系数。Emin和E0分别表示某些材料的弹性模量，这些材料在设计区域的相对密度约为0和1，通常Emin=E0/1000，以避免刚度矩阵的奇异性通过将惩罚系数P引入弹性模量插值公式，大量材料的相对弹性模量E（Xi）趋于0，从而将元素数量大大减少到结构中的“半有半无”状态。

1.2 优化问题的数学模型

此模型研究了静力载荷作用下空间结构的节点。结构静态拓扑优化的最常见目标是最大静态刚度（即最小的柔韧性）。可以通过以下数学语言描述以结构的体积分数为约束条件的拓扑优化问题：

式中：设计变量X={x1，x2，x3，…，xi}T为经有限元离散后的单元相对密度;Ω为优化设计变量的集合;C为结构的柔度;K、U和F分别代表结构的整体刚度、位移和外荷载矩阵;V（xi）和V*分别为结构的实际体积关于变量xi的函数和整个优化问题的约束体积分数值;xmin和xmax分别为设计变量的上下限值;i为单元数量。

1.3 优化设计工具

Altair Solidthinking Inspire Optimization，是高级Hyper Works Opti Struct求解器拓扑优化工具中的一种，采用程序的SIMP方法建立应用数学程序变量迭代计算的拓扑优化数学模型。Inspire结合了几何建模、结构仿真、优化分析与制造过程仿真，能够很大程度上帮助设计人员快速实现符合结构性能的轻质结构，并减少执行优化工作所需的时间与拓扑优化工作的原始设计的成本。Evolve则是一个工程与工业设计的融合并结合了Inspire的创新建模过程。

2  优化节点的增材制造

增材制造（AM）技术也被称为3D打印技术，是近年来世界上新兴的工业制造技术。它没有继承传统的制造方法中以删除材料为主要优化手段的理念，而是将“减去”材料的概念转变为“添加”材料的概念。并且其基于数字模型文件，通过使用粉末状粘合剂材料逐层堆叠对象来构造所需要的优化构件。而拓扑优化的空间结构节点具有非常复杂的几何形状，通常很难通过传统制造技术来实现。增材制造技术的引入可以为制造此类结构提供新的可行方法。

2.1 非金属节点的增材制造

由浙江大学独立开发的具有熔融沉积模型（FDM）的3D打印机用于打印和制造优化的节点模型是一种较为不错的途径。在制造过程当中所使用的材料是聚乳酸，即：PLA。目前，这种非金属材料增材制造技术相对成熟且价格便宜，适合在设计探索阶段对节点模型原型进行尝试性的生产。

2.2 金属节点的增材制造

金属增材制造的成熟度和可靠性相对较高，其是采用ep-M250SLM金属增材制造打印机的选择性激光熔化技术（SLM）来实现的，该打印机由316L不锈钢印刷而成。在最大刚度的设计条件下，外圈的脊索节点的印刷结果相对较好。在最低质量设计条件下，外圈和内圈的脊索节点具有良好的表面光滑度和较高的材料密度。目前，金属增材制造工艺上面的直接技术尚处于技术实现阶段，并且由于其价格高和后期处理复杂，通常情况下不适合大规模生产。另一方面，具有更大发展前景和应用价值的金属节点制造工艺是将增材制造技术与传统制造技术相结合的“快速铸造”工艺。该工艺具有快速、方便、经济和环保的优点，并且部件性能可以比直接金属印刷产品更好。它主要包括两种方法：①制作用于精密损失蜡铸造的蜡模;②制作砂模或砂芯进行砂型铸造。

3  优化方案准备

3.1 尺寸的控制

在民用飞机的承力构件的施工过程当中，需要严格的按照图纸进行尺寸的分析，并且在安装的时候要对承力构件的公差做出要求，提高承力构件安装的工程质量，在施工时要做好记录保留下相关的资料。比如以民用飞机当中行李架上的火灾探测器和装饰灯条当中的承力构件为例子进行分析，火灾探测器的摆放位置与所需要的尺寸应该由行李架的外形安装支架来决定，安装时要做好误差分析，探测器的中心要正对着行李架上面的网状结构，这样才能够保证能够及时的检测到烟雾;行李架上的装饰灯条应该安装在预留好的特殊孔状结构之中，并且在安装的时候也要控制好精度与误差，要注意安装角度与行李架间隙之间的距离，这样才能够保证灯具具有良好的照明效果。行李架上的其他电气设备在预组时也应该按照生命的方法来控制好尺寸，保证民用飞机承力构件在整体施工时的质量。

3.2 质量的控制

想要提高民用飞机当中承力构件的施工质量，那么在施工过程当中就应该严格的记录好安装的数据，并且还要模拟主承力构件在完工后的工作状态，检查其是否正常。同时，工作人员也应该及时的掌握各个结构当中主承力构件安装的工艺要点和质量标准，如果在检测过程当中发现与标准不符的主承力构件，那么应该及时更换、重新安装。同时在主承力构件施工的过程当中，要避免使用钻孔攻丝的手段，要利用主承力构件在加工时自身携带的安装螺纹孔来进行固定，这样能够有效地避免主承力构件安装过程当中废屑的产生，在很大程度上解决了安全的隐患，提高了主承力构件的安装效率的同时也保证了飞机的质量。

4  增材制造技术在飞机主承力结构优化当中的优点

在现阶段的民用航空飞机的构件制造过程当中，通过增材制造技术的大力支持下，3D打印技术制造飞机主承力构件的方式渐渐的成为了现如今主要的生产方式，这种技术的使用使得所生产出的产品的性能和用途得到了很大程度的提高，基于这种背景之下，很多航空企业都加大了对增材制造技术在民用航空航天企业当中运用以及提高航空产品在市场当中的占有比例。总的来说，增材制造技术在飞机主承力构件的生产行业方面有以下几点运用：①使航空飞机产品的设计流程更加简便精确。在飞机的生产产品的设计过程当中，增材制造技术的使用能够使产品的设计流程更加规范，对每一种组件、器材的价值拥有更加准确的识别度，并且运用增材制造技术当中所涉及到的器材还能够加强飞机主承力构件产品的设计成效。这种技术相比较传统的主承力构件设计技术而言，能够拥有更加简便的产品设计流程，得到的产品质量更高。②能够为飞机主承力构件的生产工作提供较好的优化支持。在工厂对航空产品进行生产的时候，制造商能够使用增材制造技术来对航空产品当中存在的故障进行检查和识别、跟踪其发生故障的组件与设备、分析出现此故障的原因以及对这种故障的维修方案进行制定，这样可以将飞机主承力构件的设计过程从传统被动优化模式转换为主动优化的模式。

5  增材制造技术当中的系统编程

材料单元的控制技术是增材制造技术当中所使用的主要设计模式。分别由初始化程序、手动程序、自动控制程序以及报警程序等板块构成。增材制造技术在使用过程中虽然方便，但是对于其的编写过程是一个比较庞大且复杂的过程，所以通常采用GX Developer软件对其进行编写。这款软件对比于其他软件具有简单、功能齐全等特点，特别是它能够在线编写程序，所以对于控制系统的调试与故障的诊断特别容易。现如今的计算机大多都是采用的Windows操作系统，所以对于编写好的材料单元的控制系统的程序将其存入程序储存器，这样对于程序的修检、验证都比较容易，并且还可以对编写程序时的状态进行监控。这个部分当中MCGSE组织环境软件是触摸屏操作界面所需要的条件。

6  结束语

總而言之，在飞机的主承力构件的优化过程当中涉及到了很多方面的知识，有计算机专业、材料加工与成型技术、数控系统等，对于提高飞机主承力构件的设计效率以及质量具有十分重要的积极意义，所以我国相关科研人员应该加大增材制造技术的创新与研究，以期设计出更加科学、合理的飞机主承力构件，为我国的航空航天工业的进步提供良好的技术支持，也使我国人们对于飞机这种交通工具的使用能够更加放心，体验能够更加舒适。

参考文献：

[1]王玉，李帅帅，于颖.面向增材制造的零件结构及工艺设计[J].同济大学学报（自然科学版），2020，48（06）：869-879.

[2]朱继宏，周涵，王创，周璐，袁上钦，张卫红.面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来[J].航空制造技术，2020，63（10）：24-38.