吳應(yīng)清

“沒(méi)有什么是一成不變的”

“飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)造性工作，沒(méi)有什么是一成不變的”，這是沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所（以下簡(jiǎn)稱“沈陽(yáng)所”）項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師王向明經(jīng)常掛在嘴邊的一句話。他從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)30多年，主持和參與了多個(gè)型號(hào)戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。

在國(guó)際社會(huì)高度競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的今天，無(wú)論是國(guó)家安全，還是經(jīng)濟(jì)建設(shè)，都要依靠強(qiáng)大的國(guó)防力量作為后盾。有實(shí)力，才有底氣。先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)作為航空武器裝備克敵制勝的重要因素，更是我國(guó)廣闊?？战虬踩Ｕ系闹匾巍?/p>

迄今為止，戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)發(fā)展至第四代（國(guó)外稱第五代），例如美國(guó)F-22、F-35，俄羅斯蘇-57等。但王向明指出，無(wú)論哪一代戰(zhàn)機(jī)，都離不開(kāi)機(jī)體結(jié)構(gòu)。機(jī)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成了飛行和裝載平臺(tái)，是影響飛機(jī)戰(zhàn)技性能和飛行安全的關(guān)鍵因素。機(jī)體結(jié)構(gòu)通常占飛機(jī)空機(jī)重量的45%以上，比例高、影響大。現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)普遍存在著兩類棘手的問(wèn)題——新機(jī)研制普遍超重、服役型號(hào)頻繁開(kāi)裂。超重通常達(dá)8%以上，這樣算下來(lái)，輕則數(shù)百公斤，重則甚至上噸，而疲勞開(kāi)裂約占外場(chǎng)損傷總量的80%。這兩類問(wèn)題影響極大，其中結(jié)構(gòu)超重會(huì)降低飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)，使飛機(jī)變得笨重、航程變短、掛載武器減少；疲勞開(kāi)裂則會(huì)直接影響飛行安全，降低服役戰(zhàn)機(jī)的完好率、出勤率。

王向明介紹，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用先進(jìn)技術(shù)手段來(lái)挖掘潛力，例如優(yōu)化、數(shù)字化等精益設(shè)計(jì)，復(fù)合材料、鈦合金等先進(jìn)材料替換，高效數(shù)控加工、焊接、超塑成形、3D打印等先進(jìn)制造工藝應(yīng)用等，但他同時(shí)感嘆，重量和壽命指標(biāo)已達(dá)極致，觸及“天花板”，甚至發(fā)展至沒(méi)有飛機(jī)不超重、沒(méi)有型號(hào)不開(kāi)裂的境地。即便航空技術(shù)先進(jìn)的西方發(fā)達(dá)國(guó)家，同樣也面臨著如此窘境。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伴隨四代戰(zhàn)機(jī)已走過(guò)70多年，經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)（繼承設(shè)計(jì)）、等代設(shè)計(jì)、精益設(shè)計(jì)。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/分析方法、計(jì)算機(jī)/數(shù)字化技術(shù)、先進(jìn)材料/制造技術(shù)發(fā)展迅猛，但結(jié)構(gòu)自身發(fā)展較慢，相對(duì)滯后，超重、開(kāi)裂仍是設(shè)計(jì)師們最為頭疼的問(wèn)題。

王向明在國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

戰(zhàn)機(jī)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的弊端長(zhǎng)期難以突破源自于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的異常復(fù)雜。王向明為記者一一分析，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)零件多、重量大、危險(xiǎn)部位多、連接異常復(fù)雜。結(jié)構(gòu)型式單一，零部件離散，以接頭連接、鉚接/螺接為主，涉及十余個(gè)大部件、上百種工藝、數(shù)萬(wàn)個(gè)零件、數(shù)十萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，連接過(guò)多導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超重、疲勞薄弱環(huán)節(jié)增多。

審閱文件

“飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是個(gè)老專業(yè)，結(jié)構(gòu)形式多年不變，可以說(shuō)‘耳熟能詳’，非常‘經(jīng)典’。我們以往所做的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了畫圖、CAD建模，沒(méi)有更多事情可做，諸如強(qiáng)度、壽命、隱身功能、可制造性、可維護(hù)性等屬性主要依賴其他專業(yè)。久而久之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就只以結(jié)構(gòu)畫圖/建模示人，以至于很多同行、領(lǐng)導(dǎo)都誤認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心工作只是畫圖、建模。評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的標(biāo)準(zhǔn)也就成了看誰(shuí)把圖畫得漂亮，畫得快，畫得準(zhǔn)?！蓖跸蛎鞯脑捳Z(yǔ)中充滿了無(wú)奈。

“畫圖、建模僅僅是設(shè)計(jì)思想的表達(dá)，而逐一準(zhǔn)確地定義零部件各方面的屬性才是真正意義上的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)技術(shù)必須要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展，才能支撐新一代戰(zhàn)機(jī)研制！”盡管不被外界所了解，但這是王向明經(jīng)常告誡自己團(tuán)隊(duì)成員的一句話，也是他在30多年職業(yè)生涯中執(zhí)著追求的技術(shù)方向。

王向明曾在原總裝先進(jìn)制造技術(shù)專業(yè)組做專家20余年，多年研究工作的積累使他深刻認(rèn)識(shí)到，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的研制長(zhǎng)期采用串行“孤島”模式，設(shè)計(jì)與制造脫節(jié)，閉門造“圖”，設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展沒(méi)有原動(dòng)力，被迫借鑒、繼承老舊結(jié)構(gòu)，超重、開(kāi)裂周而復(fù)始。所謂“一代飛機(jī)、一代技術(shù)”，新一代戰(zhàn)機(jī)研制需要與之相稱的結(jié)構(gòu)技術(shù)支撐?！拔也幌嘈牛美吓f飛機(jī)結(jié)構(gòu)能搞出新一代戰(zhàn)機(jī)！”王向明如是感慨。

先進(jìn)制造技術(shù)的迅猛發(fā)展為飛機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提供了契機(jī)，何不利用這些先進(jìn)制造工藝來(lái)發(fā)展自己的設(shè)計(jì)技術(shù)呢？王向明無(wú)時(shí)無(wú)刻不在思索著。飛機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)/制造一體化的技術(shù)方向應(yīng)運(yùn)而生，他由此提出基于先進(jìn)制造量身定做“四化”創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，即新概念結(jié)構(gòu)——大型整體化、構(gòu)型拓?fù)浠?、梯度?fù)合化和功能結(jié)構(gòu)一體化，以實(shí)現(xiàn)高減重、長(zhǎng)壽命、多功能、低成本、敏捷制造，進(jìn)而支撐新一代戰(zhàn)機(jī)型號(hào)研制。

不難看出，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)以畫圖/建模為主的串行設(shè)計(jì)模式已無(wú)法支撐“四化”新概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為此，王向明早在2003年就提出了建立結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)想，試圖以實(shí)驗(yàn)室作為載體，打通設(shè)計(jì)制造一體化的全技術(shù)鏈條，同時(shí)為激發(fā)設(shè)計(jì)員創(chuàng)新靈感提供研發(fā)平臺(tái)。他積極宣傳，四處呼吁，克服重重困難，歷時(shí)10年堅(jiān)持不懈，不斷用重要研究進(jìn)展和標(biāo)志性成果打破“偽命題說(shuō)”，終于創(chuàng)建了“飛行器新概念結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”“遼寧省增材制造共性技術(shù)創(chuàng)新中心”等研發(fā)平臺(tái)，這是國(guó)內(nèi)首家用于飛行器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)/制造一體化的研發(fā)平臺(tái)，專門用以孵化飛機(jī)新概念結(jié)構(gòu)，先后成功申請(qǐng)立項(xiàng)了飛行器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域唯一的國(guó)防原“973”項(xiàng)目、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)探索項(xiàng)目、先進(jìn)制造技術(shù)集成驗(yàn)證項(xiàng)目等，為沈陽(yáng)所乃至全行業(yè)結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

不走尋常路，突破“天花板”

從一個(gè)奇思妙想的產(chǎn)生，到技術(shù)驗(yàn)證，再到技術(shù)成果的取得和應(yīng)用，王向明的研究之路并非一帆風(fēng)順。在新概念結(jié)構(gòu)研究過(guò)程中，就必須要面對(duì)“既要設(shè)計(jì)得出，也能造得出，并保障使用安全”等重重問(wèn)題的挑戰(zhàn)。

飛機(jī)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用串行模式，類似流水線，分別以“孤島”形式存在，無(wú)法適應(yīng)“四化”新概念結(jié)構(gòu)技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。為此，王向明提出多約束協(xié)同設(shè)計(jì)方法，即將強(qiáng)度/剛度、壽命、功能、維護(hù)、材料、制造、周期等屬性約束均前移至設(shè)計(jì)源頭，用其設(shè)計(jì)許用值構(gòu)建多約束設(shè)計(jì)域，搭建創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“舞臺(tái)”，以增強(qiáng)工程可實(shí)現(xiàn)性。

王向明基于多約束協(xié)同設(shè)計(jì)方法，發(fā)明了無(wú)接頭連接的翼-身整體大部件。傳統(tǒng)機(jī)翼與機(jī)身是分開(kāi)的，采用很強(qiáng)的接頭和大規(guī)格螺栓進(jìn)行連接。該連接區(qū)域是全機(jī)關(guān)鍵部位，重量大、應(yīng)力集中嚴(yán)重，多采用高強(qiáng)度鈦合金或高強(qiáng)鋼來(lái)保障安全。另外，傳統(tǒng)機(jī)翼-機(jī)身組合接頭占用空間大，凸出理論外形，必須“鼓包”，直接否定先進(jìn)氣動(dòng)/隱身布局。通過(guò)弱化應(yīng)力集中、使參與區(qū)最小化（參與區(qū)是非承載的“偷懶區(qū)”）、消除接頭連接，建立了翼-身整體大部件。這種大部件的零件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)完整性好，采用鋁合金即可滿足要求，而且能大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量，增加裝載燃油，但存在可制造性、裂紋擴(kuò)展抑制和可維護(hù)性等難點(diǎn)。

針對(duì)可制造性，王向明提出了鋁合金加強(qiáng)框-翼梁整體件設(shè)計(jì)/制造一體化方法。選用鋁合金預(yù)拉伸厚板，通過(guò)殘余應(yīng)力對(duì)稱釋放、優(yōu)化機(jī)加工藝路徑，實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)細(xì)比框-梁整體件機(jī)加翹曲變形有效控制。同比傳統(tǒng)鈦合金框梁組合結(jié)構(gòu)，零件減少一半，減重超過(guò)1/3。

針對(duì)確保壽命安全的裂紋擴(kuò)展抑制，王向明提出長(zhǎng)壽命金屬層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。鈦合金是現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的骨干材料，多為主承力結(jié)構(gòu)。但是，鈦合金也存在著相應(yīng)的弱點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力水平高于某臨界值時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展現(xiàn)象普遍，即擴(kuò)展過(guò)程極短，會(huì)毫無(wú)跡象地瞬間斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)壽命安全存在較大隱患！美國(guó)的Ti-6Al-4V ELI超低間隙元素鈦合金、國(guó)內(nèi)TC4-DT損傷容限型鈦合金等就是針對(duì)這類問(wèn)題研制的，雖然有所緩解，但問(wèn)題仍然存在。而王向明則另辟蹊徑，基于擴(kuò)散連接制造技術(shù)提出了鈦合金層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即將鈦合金板材逐層累積疊加擴(kuò)散焊為一個(gè)整體，通過(guò)適當(dāng)布置非焊合區(qū)，迫使裂紋擴(kuò)展路徑“拐彎”，以此延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命。他在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展“平臺(tái)”特征，據(jù)此發(fā)明了鈦合金層合結(jié)構(gòu)，使裂紋擴(kuò)展壽命顯著延長(zhǎng)。另外王向明還提出了基于特種加工的金屬梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，使好鋼用在刀刃上，并發(fā)現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展“拐點(diǎn)”特征。據(jù)此發(fā)明鈦合金梯度梁肋結(jié)構(gòu)，使減重和壽命取得顯著收益。

在航空論壇上發(fā)言

無(wú)接頭連接的翼-身整體大部件在帶來(lái)顯著收益的同時(shí)，也面臨內(nèi)部系統(tǒng)維護(hù)安裝通道所需的開(kāi)口較多進(jìn)而破壞整體性的矛盾。例如，機(jī)身整體油箱需要在上表面開(kāi)設(shè)數(shù)十個(gè)維護(hù)開(kāi)口/口蓋進(jìn)行例行維護(hù)。開(kāi)設(shè)眾多開(kāi)口/口蓋，使整體大部件的優(yōu)勢(shì)蕩然無(wú)存。為此，王向明基于黏彈性材料界面庫(kù)倫摩擦最大、臨界比壓最小、橡膠板與密封劑嚙合匹配，提出嚙合密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。發(fā)明的整體油箱干態(tài)嚙合密封結(jié)構(gòu)壁板可反復(fù)拆裝，整體開(kāi)閉，關(guān)閉時(shí)密封，開(kāi)啟時(shí)維護(hù)，使口蓋數(shù)量銳減2/3。傳統(tǒng)密封采用的是一次性密封“死結(jié)構(gòu)”。嚙合密封結(jié)構(gòu)規(guī)避了大量開(kāi)口破壞結(jié)構(gòu)整體性的矛盾，同時(shí)減少了縫隙階差，改善了氣動(dòng)和隱身。有趣的是，王向明最初的原理驗(yàn)證是用家里的鋁質(zhì)飯盆完成的，至今仍存放在他的書柜里，雖歷經(jīng)26年之久，但里面的水仍然默默地守候著，訴說(shuō)著曾經(jīng)的故事。這個(gè)簡(jiǎn)陋的原理件雖然其貌不揚(yáng)，但在王向明的心里卻貴如千金。

此外，通過(guò)多約束設(shè)計(jì)創(chuàng)新研制的翼-身整體大部件實(shí)現(xiàn)減重1/4以上、疲勞危險(xiǎn)部位減少3/4，機(jī)翼燃油增加100多公斤。

王向明還提出了高顫振速度鉸鏈?zhǔn)狡轿矙C(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法。平尾是飛機(jī)飛行平衡配平的核心部件，一旦顫振發(fā)散到釀成墜機(jī)后果不堪設(shè)想，所以要盡量提高顫振速度。傳統(tǒng)平尾顫振由多種因素耦合交織在一起，提高顫振速度困難而復(fù)雜，甚至不得不增加配重進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，傳統(tǒng)平尾的轉(zhuǎn)軸尺寸較大，很難布置在機(jī)體尾部狹小空間內(nèi)，必須“鼓包”，由此導(dǎo)致氣動(dòng)和隱身性能惡化?；诮怦詈?jiǎn)化，給舵機(jī)并聯(lián)一套平衡桿來(lái)平衡驅(qū)動(dòng)載荷，傳給機(jī)身的載荷僅剩5%，即剝離機(jī)身支持剛度耦合作用。用鉸鏈軸代替大直徑轉(zhuǎn)軸，它只傳剪，即剝離傳統(tǒng)大直徑轉(zhuǎn)軸彎/扭耦合作用。只需調(diào)節(jié)平衡桿參數(shù)，即可獲得顫振速度目標(biāo)值，使抗顫振設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)解耦簡(jiǎn)化。揭示了該平尾顫振速度響應(yīng)規(guī)律，研制的鉸鏈?zhǔn)狡轿膊考澱袼俣忍岣?/3，平尾減重1/5，轉(zhuǎn)軸直徑減少2/3。

王向明率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將上述研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了充分技術(shù)驗(yàn)證，成功實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)重量和壽命的極限束縛，打破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)“天花板”，“新型戰(zhàn)機(jī)新概念結(jié)構(gòu)與快速試制技術(shù)”項(xiàng)目一舉獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

敢為人先，打印奇思妙想

同傳統(tǒng)機(jī)加減材、鍛鑄與鈑金成形等工藝相比，增材制造（俗稱3D打?。┑摹吧L(zhǎng)”特性為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓寬了自由空間，可作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的孵化器，因此受到國(guó)內(nèi)外工業(yè)界高度重視。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均將其視為國(guó)防現(xiàn)代化和作戰(zhàn)能力提升的重要支撐。

王向明介紹說(shuō)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)增材制造的應(yīng)用研究迄今已開(kāi)展30多年，但應(yīng)用范圍、數(shù)量規(guī)模仍受局限，國(guó)內(nèi)外僅有幾種型號(hào)飛機(jī)在少量應(yīng)用，且以次承力件為主，例如波音787、空客A350等。盡管增材制造在控形、控性和工藝裝備等方面已取得重大突破，但由于缺少創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法引領(lǐng)，單純套用鍛鑄件優(yōu)勢(shì)不大，即想用但不太會(huì)用；另一方面，缺少性能評(píng)定/驗(yàn)證方法支撐，壽命安全說(shuō)不清，即想用但不太敢用。二者被美國(guó)聯(lián)邦航空局列為增材制造應(yīng)用技術(shù)的主要難點(diǎn)之一。

在工作現(xiàn)場(chǎng)

早在2003年，王向明就與北京航空航天大學(xué)的王華明教授（2015年當(dāng)選中國(guó)工程院院士）開(kāi)展密切合作，共同為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件“量身定做”，即常說(shuō)的設(shè)計(jì)/制造一體化。那段時(shí)間，二人幾乎每周都要湊在一起研究討論各種各樣的技術(shù)問(wèn)題，心無(wú)旁騖、全神貫注。甚至發(fā)生過(guò)兩人中午到餐廳吃飯，由于討論問(wèn)題過(guò)于投入，直到下午兩點(diǎn)，竟然忘記了點(diǎn)午餐的趣事。

王華明教授率先在鈦合金大型復(fù)雜主承力件激光熔化沉積控形、控性、裝備、標(biāo)準(zhǔn)等方面取得重大突破，而王向明考慮更多的則是如何實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、確保使用安全，著重解決3D打印面臨的“會(huì)用、敢用”的問(wèn)題。

王向明借助在原總裝先進(jìn)制造專業(yè)組擔(dān)任增材制造責(zé)任專家的機(jī)遇，規(guī)劃出基于增材制造的大型整體化、構(gòu)型拓?fù)浠?、梯度?fù)合化和功能結(jié)構(gòu)一體化等飛機(jī)新概念結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，主導(dǎo)系統(tǒng)級(jí)技術(shù)開(kāi)發(fā)與工程化驗(yàn)證，做前人不敢做的事，開(kāi)始走上打印奇思妙想的逐夢(mèng)之旅。

他基于發(fā)明的增材熔合連接方法，提出多種增材主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)增材熔化沉積填充，一邊成形、一邊連接，將兩個(gè)構(gòu)件合并為一個(gè)整體，使構(gòu)件做得更大、更復(fù)雜。其中具體包括殘余應(yīng)力臨界值仿真預(yù)測(cè)、離散分區(qū)成形、去除殘余應(yīng)力、增材熔合連接，涵蓋創(chuàng)新設(shè)計(jì)、性能評(píng)定、工程驗(yàn)證等。與焊接的區(qū)別是，突破厚度限制，力學(xué)性能與母材相當(dāng)，近似“無(wú)痕”連接。研制出框-梁等多種整體主承力結(jié)構(gòu)，拓展法向復(fù)雜承載維度。

針對(duì)熔合連接區(qū)疲勞特性評(píng)定，王向明提出當(dāng)量應(yīng)力集中系數(shù)法。將熔合連接區(qū)內(nèi)部細(xì)觀缺陷打包，與母材宏觀應(yīng)力集中當(dāng)量等效，利用名義應(yīng)力法確定當(dāng)量應(yīng)力集中系數(shù)值和壽命算法，以此作為疲勞和工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)判據(jù)。針對(duì)疲勞壽命安全，王向明建立工程化驗(yàn)證專用模式，與傳統(tǒng)積木式驗(yàn)證不同的是，力學(xué)性能考核與工藝過(guò)程循環(huán)迭代，這樣可及時(shí)暴露性能缺陷，加快改進(jìn)，使增材制造主承力結(jié)構(gòu)件的壽命安全保障有了技術(shù)支撐，進(jìn)而解決壽命安全風(fēng)險(xiǎn)控制難題。

接受媒體采訪

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是公認(rèn)的輕量化結(jié)構(gòu)，減重效率可近一半，具有極大應(yīng)用潛力，受到工程界的普遍關(guān)注。王向明認(rèn)為，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬靜定結(jié)構(gòu)范疇，任一分支失效都將導(dǎo)致總體破壞。壽命安全如何保障？為此，他提出按壽命設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的強(qiáng)度裕度等效面積作為裂紋擴(kuò)展容限區(qū)域，分不同情況建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)局域損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)機(jī)加難點(diǎn)，他還提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工藝方法，機(jī)加量減少70%，制造成本也得到降低。

上述研究解決了增材主承力結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)難題，成效顯著，零件數(shù)量減少2/3、結(jié)構(gòu)減重1/5、疲勞壽命增加1/3?！帮w機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的殊榮，這一項(xiàng)目由沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，北京航空航天大學(xué)負(fù)責(zé)制造。

王向明介紹，選區(qū)熔化增材制造技術(shù)可打印出內(nèi)部形狀復(fù)雜的輕質(zhì)功能件，但常規(guī)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)承載能力大都不滿足飛機(jī)功能結(jié)構(gòu)要求。為此，王向明將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)半徑作為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)形狀優(yōu)化降低應(yīng)力集中和重量，由此建立多種拉壓承載型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)拘束微桁架單胞。他提出節(jié)點(diǎn)剪切強(qiáng)度計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)敏感設(shè)計(jì)參數(shù)（微桿半徑），并據(jù)此建立有效設(shè)計(jì)手段；打印出散熱器、格柵等多種高效功能件，解決了增材高承載功能結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)難題。功效實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛越，功能效率提高一倍、減重近2/5、零件減少95%。

另外，據(jù)王向明介紹，飛機(jī)戰(zhàn)損/戰(zhàn)傷比為1∶20，結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷占近90%，若無(wú)法及時(shí)搶修即相當(dāng)于戰(zhàn)損。對(duì)此，他提出了補(bǔ)強(qiáng)幾何應(yīng)力集中/填充復(fù)合應(yīng)力集中最小的修理設(shè)計(jì)方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修復(fù)流程與數(shù)據(jù)庫(kù)——設(shè)計(jì)、評(píng)定、制造、修復(fù)。主持完成了3類材料、9類構(gòu)件的地面靜態(tài)、搖擺動(dòng)態(tài)環(huán)境下的工程驗(yàn)證，為保持艦載機(jī)完好率提供技術(shù)途徑。

上述成果應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)項(xiàng)目，單機(jī)用量達(dá)復(fù)合材料用量的1/7，含5種工藝、9種材料。開(kāi)辟了增材構(gòu)件在飛機(jī)上工程化應(yīng)用先河，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越，應(yīng)用進(jìn)程保持領(lǐng)先，使我國(guó)成為唯一實(shí)現(xiàn)增材制造構(gòu)件在飛機(jī)上規(guī)?；瘧?yīng)用的國(guó)家。王向明領(lǐng)銜的“基于增材制造的飛機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用”項(xiàng)目由此獲得了國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

厚積薄發(fā)，只為一飛沖天

航空工業(yè)集團(tuán)審時(shí)度勢(shì)，決策研發(fā)第四代中型戰(zhàn)機(jī)——“鶻鷹”?？傇O(shè)計(jì)師孫聰（2015年當(dāng)選中國(guó)工程院院士）慧眼識(shí)人、甘當(dāng)伯樂(lè)，將該型號(hào)常務(wù)副總設(shè)計(jì)師的重?fù)?dān)壓在王向明肩上。任務(wù)重大、使命光榮。王向明絲毫不敢懈怠，雙管齊下，一手帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)全力以赴開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，一手研究如何“好、快、廉”把飛機(jī)造出來(lái)。他深入系統(tǒng)地研究了有關(guān)新機(jī)研制的特點(diǎn)，規(guī)劃出獨(dú)具特色的新機(jī)快速試制模式與技術(shù)體系，并得到總設(shè)計(jì)師和項(xiàng)目總指揮的鼎力支持。

新機(jī)研制通常分為驗(yàn)證機(jī)與工程發(fā)展型兩個(gè)階段，其中驗(yàn)證機(jī)階段需要多次迭代、快速驗(yàn)證、快速完善。而國(guó)內(nèi)沒(méi)有新機(jī)快速試制機(jī)制，主要采用串行批產(chǎn)模式，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主、工裝模具較多，不適合快速響應(yīng)和頻繁設(shè)計(jì)更改，急需建立快速響應(yīng)研制新模式，但對(duì)其技術(shù)和方法缺乏認(rèn)知。

王向明提出了“協(xié)同設(shè)計(jì)/制造前移”的快速試制模式，貫穿全流程。即多專業(yè)協(xié)同建模以統(tǒng)一數(shù)據(jù)源；集中參數(shù)優(yōu)化以提高計(jì)算精度；聯(lián)合產(chǎn)品定義以提高設(shè)計(jì)效率；制造技術(shù)前移，邊設(shè)計(jì)、邊制造，來(lái)縮短研制周期。

同時(shí)，王向明基于多年預(yù)研成果積累，通過(guò)優(yōu)化組合/剪裁、補(bǔ)充完善，建立設(shè)計(jì)/制造一體化的快速試制技術(shù)體系。包括創(chuàng)新結(jié)構(gòu)支撐、三維/優(yōu)化設(shè)計(jì)、無(wú)模/敏捷制造、通用/柔性裝配、隱身表面高精度控制等技術(shù)。

為了化解潛在風(fēng)險(xiǎn)，王向明一邊積極組織進(jìn)行模擬驗(yàn)證，另一邊全力推進(jìn)飛機(jī)快速試制。所采取的邊設(shè)計(jì)、邊制造的并行協(xié)同模式使得某時(shí)段內(nèi)的工作量倍增，超負(fù)荷的工作壓力幾乎將王向明的身體壓垮，最緊張的時(shí)候，他曾經(jīng)在早八點(diǎn)到凌晨?jī)牲c(diǎn)之間，先后8次往返設(shè)計(jì)所和工廠！因長(zhǎng)時(shí)間在試制現(xiàn)場(chǎng)，王向明甚至被工藝員戲稱為（快速試制中心的）“更夫”。

這期間還有一次更加驚心動(dòng)魄的險(xiǎn)情。2012年10月3日下午，王向明從工廠返回家中后不久，感覺(jué)到腹部劇痛難忍，一下子暈倒在衛(wèi)生間，失去了知覺(jué)。幸虧國(guó)慶節(jié)長(zhǎng)假期間，妻子和女兒都在家中，發(fā)現(xiàn)異常急忙施救。王向明的妻子是從事藥品檢驗(yàn)工作的，有一點(diǎn)醫(yī)護(hù)常識(shí)，及時(shí)采取了有效施救措施，不然后果難以預(yù)料。

艱苦的付出終于獲得了豐碩回報(bào)，換來(lái)“鶻鷹”成功首飛！當(dāng)飛機(jī)平穩(wěn)著陸的那一瞬間，王向明和他的團(tuán)隊(duì)成員激動(dòng)相擁，眼里噙滿淚水，內(nèi)心深處迸發(fā)出一個(gè)聲音——“義鶻沖天伴夢(mèng)飛！”

“鶻鷹”快速試制創(chuàng)造并保持了多項(xiàng)紀(jì)錄：全機(jī)重量控制精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；危險(xiǎn)部位減少一半；結(jié)構(gòu)件/工裝減少一半，設(shè)計(jì)制造縮短1/4。航空工業(yè)集團(tuán)評(píng)價(jià)：該快速試制模式取得一系列技術(shù)創(chuàng)新的突破。為后續(xù)型號(hào)裝備立項(xiàng)研制夯實(shí)了基礎(chǔ)，并憑借“新型戰(zhàn)機(jī)新概念結(jié)構(gòu)與快速試制技術(shù)”項(xiàng)目獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

航空?qǐng)?bào)國(guó)的夢(mèng)想讓王向明一路披荊斬棘，用技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)著我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展，實(shí)踐著科技強(qiáng)軍的使命。王向明與團(tuán)隊(duì)所取得的研究成果改變了飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制的傳統(tǒng)模式，突破傳統(tǒng)極限束縛，為我國(guó)成為世界唯一實(shí)現(xiàn)增材制造構(gòu)件在飛機(jī)上規(guī)?；瘧?yīng)用的國(guó)家做出了重要貢獻(xiàn)。多年的堅(jiān)持，也讓他和團(tuán)隊(duì)贏得了眾多的榮譽(yù)，先后榮獲了國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)、國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、航空航天月桂獎(jiǎng)、航空?qǐng)?bào)國(guó)金獎(jiǎng)、遼寧省先進(jìn)工作者、遼寧省五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)?、遼寧省十大創(chuàng)新能手、沈陽(yáng)市勞動(dòng)模范等一系列獎(jiǎng)勵(lì)與榮譽(yù)。以他的名字命名的“王向明勞模創(chuàng)新工作室”先后成為遼寧省級(jí)、航空工業(yè)集團(tuán)級(jí)勞模創(chuàng)新工作室。面對(duì)榮譽(yù)和稱號(hào)的接踵而來(lái)，王向明將其視為組織上的鼓勵(lì)和繼續(xù)前進(jìn)的動(dòng)力，而在他心中排在第一位的永遠(yuǎn)是黨和國(guó)家賦予他在飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展路上不斷突破的崇高事業(yè)。

日復(fù)一日，年復(fù)一年。就是這種在外人看起來(lái)清苦而又艱辛的科研之路，王向明走在其間卻并不覺(jué)得寂寞和辛苦?！霸诠ぷ髦袑で髽?lè)趣”一直是王向明奉行的工作理念。他始終將此視為國(guó)家使命，一刻不曾懈怠?！白龅脮r(shí)間久了，生活、興趣、專業(yè)、家庭全都注入在這里面了。對(duì)于飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探索已經(jīng)融入了我的一生，這輩子只想做好這一件事。如果有下輩子，我還會(huì)選擇飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)！”王向明飽含深情地說(shuō)。