柯林達(dá)，張小龍，崔 哲，顧銘峰，賴彩芳，劉 勇

（1.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；2.上海金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，上海 201600）

0 引 言

近年來，隨著我國新興產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展，航天裝備升級換代節(jié)奏也在不斷加快。目前圍繞航天裝備、精確打擊武器等方向的研究日益受到重視，高性能新一代航天裝備快速研發(fā)將進(jìn)入新階段。因此導(dǎo)彈必須在極高的飛行速度下滿足射程遠(yuǎn)、航時(shí)長等性能要求，這對導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而在導(dǎo)彈研發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，增材制造技術(shù)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢［1］。

增材制造技術(shù)是一種將粉末/絲材逐層快速熔化、快速凝固后形成立體零部件的新型制造技術(shù)，其工藝原理如圖1所示，主要包括2類：① 預(yù)置材料方式增材制造；② 同步送料增材制造。該技術(shù)工藝種類較多，從材料物理狀態(tài)、輸送形式和能量種類的角度詳細(xì)分類，如圖2所示。

圖1 增材制造原理Fig.1 Additive manufacturing process diagram

圖2 增材制造技術(shù)分類Fig.2 The classification of the bdditive manufacturing process

金屬構(gòu)件表面相對粗糙，一般需要加工處理后才能使用，其同步送料增材制造主流工藝是激光熔融沉積技術(shù)（laser melt deposition，LMD）和電弧熔絲增材制造技術(shù)（wire and arc additive manufacturing，WAAM）。

預(yù)置材料方式主流工藝是激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（selective laser melting，SLM），其成形精度高（±0.1 mm），表面質(zhì)量好（Ra3.2～12.5 μm），可直接制造精密復(fù)雜構(gòu)件，非裝配面無須機(jī)加工，可直接使用。SLM技術(shù)由于其工藝約束小，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式無法實(shí)現(xiàn)的輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化和仿生結(jié)構(gòu)等，在導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)研發(fā)和制造方面具有不可比擬的優(yōu)勢，為導(dǎo)彈創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了制造工藝基礎(chǔ)，帶來了全新的設(shè)計(jì)理念。

先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造方法的深度融合已成為未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。2012 年2 月美國公布的《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃》正式將先進(jìn)制造業(yè)提升為國家戰(zhàn)略，提出建立“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（NNMI）”。在此體系下先后成立了“國家增材制造創(chuàng)新中心（NAMII）”和“ 數(shù)字化制造和設(shè)計(jì)創(chuàng)新中心（DMDII）”，從制造和設(shè)計(jì)兩方面構(gòu)建國家級研究平臺(tái)。NAMII 公布的技術(shù)路線圖中，5 個(gè)研究領(lǐng)域中首要的為“設(shè)計(jì)”；DMDII2014 年11 月發(fā)布了“Army Manufacturing Technology Program”計(jì)劃，在項(xiàng)目“Additive Manufacturing for Optimized Missile Components and Structures”中，明確提出發(fā)展結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造技術(shù)，并應(yīng)用于導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)研制［2］。

國內(nèi)外對增材制造技術(shù)在導(dǎo)彈武器研制領(lǐng)域的關(guān)注度很高，有資料表明，國內(nèi)外正在將增材制造技術(shù)用于巡航導(dǎo)彈等超高聲速武器所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，如圖3 所示。增材制造技術(shù)不但突破了彈頭制造中加工位置的限制，還可以有效改善導(dǎo)彈的熱力學(xué)性能。我國已實(shí)現(xiàn)了某型號(hào)導(dǎo)彈產(chǎn)品復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增材制造，并實(shí)現(xiàn)了輕量化生產(chǎn)制造，為新一代導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了有力支撐［3-4］。2014 年美軍航空與導(dǎo)彈研究發(fā)展中心以及馬歇爾太空飛行中心成立了增材制造中心，主要從事增材制造技術(shù)的研發(fā)。增材制造技術(shù)正在改變?nèi)虍a(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，而太空則是它大顯身手的舞臺(tái)。在美國亞利桑那州，Raytheon 公司設(shè)計(jì)部門早在2016 年就進(jìn)行了增材制造導(dǎo)彈部件的測試工作，該技術(shù)在導(dǎo)彈上實(shí)現(xiàn)既強(qiáng)又輕的使用目的。作為全球制造導(dǎo)彈最大的生產(chǎn)廠家，盡管如今增材制造零部件只能代替某些位置，但是未來打印整個(gè)導(dǎo)彈是可以實(shí)現(xiàn)的。同年，美海軍的軍備供應(yīng)商洛克希德馬丁公司宣布成功試射三叉戟IID5 導(dǎo)彈，導(dǎo)彈內(nèi)部電纜的連接處采用增材制造零件進(jìn)行保護(hù)，在試射過程中表現(xiàn)良好［5］。俄羅斯《獨(dú)立報(bào)》刊發(fā)一篇名為《3D 打印俄羅斯“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)》稱：俄羅斯開始籌備3D 技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，組建增材制造中心，主要任務(wù)是研究多層堆疊制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件［6］。相比于傳統(tǒng)制備工藝［7］，采用增材制造技術(shù)，由于結(jié)構(gòu)工藝性約束減小，其復(fù)雜結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)性大大提高，彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有如下優(yōu)勢。

圖3 導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)優(yōu)化與增材制造應(yīng)用實(shí)例Fig.3 Missile structural optimization based on additive manufacturing

1） 可實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件的整體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造：受限于傳統(tǒng)工藝，較多復(fù)雜構(gòu)件難以直接制造，通常先采用分體制造，然后再實(shí)施螺接、焊接等工藝步驟，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)制造：而增材制造技術(shù)結(jié)構(gòu)工藝約束小，可實(shí)現(xiàn)多零件整體化制造，結(jié)構(gòu)整體剛度和穩(wěn)定性獲得提升。

2） 可實(shí)現(xiàn)超輕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造：受限于傳統(tǒng)制造方法的工藝約束，輕量化結(jié)構(gòu)主要是薄壁加筋、框架等結(jié)構(gòu)，但是加強(qiáng)筋和框架結(jié)構(gòu)形式是有限的。采用增材制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)蜂窩、點(diǎn)陣、拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)帶來了全新的思路。

3） 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造：采用增材制造可以實(shí)現(xiàn)變截面、空間分布的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，為功能優(yōu)先的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了支撐。

4） 可實(shí)現(xiàn)不同材料梯度功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造：增材制造可實(shí)現(xiàn)多材料打印，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、韌性、阻尼等性能要求不同的結(jié)構(gòu)整體化制造，為功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)制造提供了新思路。

5） 可實(shí)現(xiàn)特種性能的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造：增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)竹子、龍蝦尾，以及蜻蜓翅膀等仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，為實(shí)現(xiàn)超性能結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供了技術(shù)途徑。

綜上所述，增材制造在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的優(yōu)勢，可顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，讓設(shè)計(jì)師從功能需求角度出發(fā)，開展創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)的協(xié)同融合，必定是導(dǎo)彈領(lǐng)域突破性的發(fā)展方向。

1 導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 靜力學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)中國空間技術(shù)研究報(bào)告，我國現(xiàn)有航天器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比大于20%，在未來需要將結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比降低至6%。輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為我國航空航天工業(yè)快速發(fā)展亟需突破的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)之一。

輕量化作為一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，最早起源于賽車運(yùn)動(dòng)，主要通過材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個(gè)維度來實(shí)現(xiàn)［8］。材料是基礎(chǔ)，工藝是實(shí)現(xiàn)方法和手段，設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)為核心目標(biāo)，協(xié)調(diào)材料與工藝設(shè)計(jì)的（科學(xué)）藝術(shù)。隨著先進(jìn)材料與制造工藝技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步從“工藝優(yōu)先”設(shè)計(jì)模式向“性能優(yōu)先”設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變。增材制造與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)（拓?fù)洌﹥?yōu)化設(shè)計(jì)方法之間的互補(bǔ)是實(shí)現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)輕量化和性能提升的有效手段。

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要研究方向之一。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的負(fù)載工況、邊界條件和技術(shù)指標(biāo)，對設(shè)計(jì)域內(nèi)的材料分布進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)舵面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖4所示。其中，變密度法是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的一種優(yōu)化方法，該方法以單元相對密度作為連續(xù)設(shè)計(jì)變量顯式，表達(dá)其與材料彈性模量間的函數(shù)關(guān)系。變密度法可以計(jì)算出最佳的傳力路線，具有程序二次開發(fā)易實(shí)現(xiàn)、計(jì)算效率和精度高等優(yōu)點(diǎn)［9］。

圖4 典型舵面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.4 Optimal design of typical rudder surface structure

隨著結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法的發(fā)展，許多學(xué)者針對不同領(lǐng)域（動(dòng)力、傳熱、聲學(xué)、材料設(shè)計(jì)等）的工程需求進(jìn)一步探索拓?fù)鋬?yōu)化方法。武姝婷［10］針對基于SLM 增材制造工藝的輕量化設(shè)計(jì)，分析了SLM的輕量化設(shè)計(jì)需求及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；從SLM 技術(shù)的工作原理入手，研究了零件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的約束，針對設(shè)計(jì)約束提出結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)規(guī)則及方法。周松［11］提出了基于SLM的金屬增材制造輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則，結(jié)合SLM 技術(shù)的成形原理及輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以公理設(shè)計(jì)體系為基礎(chǔ)，分析了設(shè)計(jì)要求和約束，制定了金屬增材制造輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。

變密度法作為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的熱門方法之一，已經(jīng)被廣泛用于多約束條件、多物理場和多材料復(fù)雜情景下，同時(shí)還被應(yīng)用于國內(nèi)外主流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的內(nèi)核中，如solid Thinking Inspire 商業(yè)軟件等。通過solid Thinking Inspire 可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化后的材料分布進(jìn)行模型重構(gòu)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以通過增材制造方式實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合增材制造方式已經(jīng)在醫(yī)療、汽車、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的工程化應(yīng)用［12］。在飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，從最初的零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化逐漸發(fā)展到部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和全機(jī)結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用Fig.5 Application of structure optimization in aircraft design

1.2 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)兩方面?zhèn)涫荜P(guān)注。其中，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性包含結(jié)構(gòu)的固有頻率、陣型、頻率間距、特征頻率與激勵(lì)頻率差值等。相較于提高結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能夠更加顯著地提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)是將結(jié)構(gòu)在動(dòng)力激勵(lì)作用下的物理響應(yīng)作為設(shè)計(jì)對象或目標(biāo)，如加速度、應(yīng)變等。對結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化實(shí)質(zhì)上仍然是對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的優(yōu)化，由于直接以動(dòng)態(tài)響應(yīng)作為目標(biāo)的求解過程復(fù)雜，同時(shí)拓?fù)鋬?yōu)化算法的穩(wěn)定性也較差，因此，相關(guān)研究的工程應(yīng)用仍然較少。

李宗翰等［13］基于獨(dú)立連續(xù)映射方法（independent continuous mapping，ICM）對頻率約束下質(zhì)量最輕的拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了探究計(jì)算，最終解決了在動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化過程中經(jīng)常遇見的模態(tài)交換和局部模態(tài)等問題，并基于Patran 軟件開發(fā)了相關(guān)的工程應(yīng)用程序。張錦江［14］采用序列線性規(guī)劃法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的是解決在多階固有頻率約束下導(dǎo)彈等軍用飛行器動(dòng)力學(xué)優(yōu)化問題。劉遠(yuǎn)東等［15］基于材料屬性有理近似模型（rational approximation of material properties，RAMP）分析探討了以結(jié)構(gòu)頻率最大、柔度最小加權(quán)系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)的連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，創(chuàng)建了材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)維度上的一體化優(yōu)化算法。王帥等［16］針對航天飛行器管路結(jié)構(gòu)輕薄、力學(xué)環(huán)境惡劣、使用應(yīng)力大、易產(chǎn)生低周疲勞等問題，對管路結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度分析中常用的Steinberg 快速評估、基于統(tǒng)計(jì)模型的頻域疲勞分析等理論方法及技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。此外，姜節(jié)勝等［17-18］分別研究了基于頻率約束、頻率概率約束下連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。

Ma 等［19］分別基于均勻化方法研究了簡諧載荷作用下的動(dòng)柔順度最小化問題及柔性機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，得到了合理的優(yōu)化結(jié)果。徐斌等［20］基于漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法建立了以簡諧響應(yīng)為約束的拓?fù)鋬?yōu)化模型。左凱［21］利用伴隨法求解動(dòng)位移響應(yīng)的靈敏度，并基于ICM 方法建立了拓?fù)鋬?yōu)化模型，對結(jié)構(gòu)相關(guān)自由度的振幅平方進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Olhoff等［22］對簡諧載荷作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)柔順度進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激勵(lì)頻率低于初始結(jié)構(gòu)共振頻率和高于共振頻率時(shí)，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果差異明顯。Shu 等［23］基于水平集方法研究了簡諧載荷作用下的結(jié)構(gòu)位移幅值最小化問題。

在實(shí)際工程中，對如何降低由動(dòng)載荷作用引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頗為關(guān)注。在結(jié)構(gòu)表面附加高阻尼材料被認(rèn)為十分有效。目前，考慮減振結(jié)構(gòu)中阻尼材料最優(yōu)布局的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)拓?fù)鋬?yōu)化研究與應(yīng)用相對較少。AL-AJMI［24］研究了以能量消耗最大化為目標(biāo)函數(shù)的阻尼材料最優(yōu)分布問題，并利用逆均勻化方法優(yōu)化設(shè)計(jì)出最大化黏彈性阻尼材料的剪切應(yīng)變能。Zheng 等［25］利用遺傳算法研究了以減小結(jié)構(gòu)振幅為目標(biāo)的圓柱殼表面矩形阻尼材料的最優(yōu)分布問題。Kim 等［26］以削弱某一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)程度為目標(biāo)，對結(jié)構(gòu)表面附著阻尼材料層的位置和形狀進(jìn)行了優(yōu)化。Chia 等［27］將元胞自動(dòng)機(jī)算法應(yīng)用到阻尼材料層的布局優(yōu)化中。馬晶等［28］以動(dòng)柔度及瞬態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)函數(shù)，對薄板結(jié)構(gòu)阻尼材料層進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。

從以往研究情況可以看出，只有結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，其他結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)用還局限于小規(guī)模有限元自由度，與工程應(yīng)用仍有較大差距。一方面優(yōu)化結(jié)果中存在大量中間密度單元、結(jié)構(gòu)靜剛度較差等問題，還需要進(jìn)一步解決；另一方面工程實(shí)際中很多結(jié)構(gòu)是用來支撐各種功能組件的，因此，還需結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化方法。

1.3 多物理場耦合設(shè)計(jì)

增材制造技術(shù)在耦合動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，目前相關(guān)的研究主要集中在氣動(dòng)彈性領(lǐng)域和力熱耦合領(lǐng)域。

1.3.1 氣動(dòng)彈性領(lǐng)域

王忠睿等［29］采用光固化增材制造技術(shù)加工樹脂氣動(dòng)外殼和機(jī)加工金屬強(qiáng)化骨架的復(fù)合結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)并測試了某型號(hào)飛機(jī)的低速全機(jī)測力模型，采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）與計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)（computational structural mechanics，CSD）分析技術(shù)，對模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

劉燚等［30］采用單梁設(shè)計(jì)機(jī)翼，翼肋采用光固化增材制造材料與主梁進(jìn)行分塊單點(diǎn)連接，減少附加剛度影響，建立大柔性飛行器非線性靜氣動(dòng)彈性氣動(dòng)力方程，開展了大展弦比飛機(jī)靜氣動(dòng)彈性風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖6 所示），采用氣動(dòng)力有限基本解與機(jī)翼的耦合計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了大柔性飛機(jī)大變形狀態(tài)下載荷及結(jié)構(gòu)變形形式隨風(fēng)速的變化規(guī)律。

圖6 飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)Fig.6 Wind tunnel test for aerocraft

劉燚等［31］采用激光選區(qū)燒結(jié)工藝并使用尼龍材料打印拓?fù)鋬?yōu)化翼段結(jié)構(gòu)，以大展弦比機(jī)翼翼段為研究對象，機(jī)翼氣動(dòng)載荷由CFD/CSD 耦合數(shù)值計(jì)算方法獲得，載荷分布考慮了氣動(dòng)彈性變形下載荷大小和分布形式的變化。拓?fù)鋬?yōu)化采用密度法，以結(jié)構(gòu)減重指標(biāo)為約束，以整體柔度最小為目標(biāo)，采用商用軟件開展分析。

張斌［32］利用激光選區(qū)增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)制造了具有不同幾何參數(shù)的短艙外伸小翼?；贖amilton原理并利用彈性機(jī)翼有限元模型，先建立了傾轉(zhuǎn)旋翼/短艙/外伸小翼/主機(jī)翼氣動(dòng)彈性耦合分析模型；再通過回轉(zhuǎn)顫振穩(wěn)定性分析，預(yù)估分析模型的回轉(zhuǎn)顫振臨界速度和邊界速度；最后結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)，開展了外伸小翼對回轉(zhuǎn)顫振抑制的效果及設(shè)計(jì)參數(shù)的影響規(guī)律研究。

賴晨光等［33］通過光固化增材制造技術(shù)制作了采用常規(guī)帶端板尾翼以及多種新型尾翼的汽車優(yōu)化模型。翼型利用準(zhǔn)均勻B 樣條曲線進(jìn)行擬合，并使用雙向流固耦合的分析方法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)流場與靜力學(xué)結(jié)構(gòu)的耦合計(jì)算，考慮了靜氣動(dòng)彈性對裝備了小翼的汽車尾翼產(chǎn)生的實(shí)際作用。在三維流場中分別對考慮與不考慮靜氣動(dòng)彈性影響的新型小翼翼型及其對應(yīng)形狀各參數(shù)進(jìn)行了多方位結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

周丹杰等［34］利用增材制造技術(shù)打印了低速加顫振試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并將其?yīng)用在X56-A 飛機(jī)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髦?。地面模態(tài)試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)皆證明了此方法的可行性。

1.3.2 力熱耦合領(lǐng)域

某研究所技術(shù)人員［35］成功突破TA15 和Ti2AlNb 異種鈦合金材料梯度過渡復(fù)合技術(shù)難題，其采用激光熔融沉積增材制造試制出具有大溫度梯度一體化鈦合金結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道試驗(yàn)件，并順利通過了力熱聯(lián)合試驗(yàn)。

張南［36］研究了基于多層微桁架夾芯熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)與隔熱性能，并采用先進(jìn)增材制造技術(shù)制備了多層微桁架夾芯壁板，以及一種主動(dòng)冷卻和承載一體化的含流道微桁架夾層壁板式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。隨后該團(tuán)隊(duì)研究了微桁架夾芯壁板的力學(xué)性能，并采用實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值仿真技術(shù)，硏究了含流道微桁架壁板的隔熱和力學(xué)性能。

袁勝剛［37］針對負(fù)泊松比蜂窩夾層板，提出了一種分區(qū)域尺寸優(yōu)化的方法，并將該方法應(yīng)用在需要承受熱力耦合載荷作用的翼舵結(jié)構(gòu)上，最終得到既滿足應(yīng)力、位移、幾何等約束條件同時(shí)質(zhì)量又輕的結(jié)構(gòu)，對工程實(shí)際中翼舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

郭培強(qiáng)［38］利用ABAQUS 軟件對Ti-6Al-4V 金屬合金材料在電子束熔融增材制造過程中的熱力學(xué)耦合行為進(jìn)行了模擬分析。考慮到粉末的融化和固結(jié)會(huì)造成材料熱屬性和密度的變化，提出了改進(jìn)的熱傳導(dǎo)分析模型，并分析了打印過程中熔池的幾何尺寸，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

2 結(jié)束語

在現(xiàn)實(shí)中使用傳統(tǒng)工藝制造具有復(fù)雜幾何構(gòu)型的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)有較大困難，通常需要在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中加入尺寸、對稱等約束條件，才能保證結(jié)構(gòu)的可制造性，無法發(fā)揮拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。增材制造技術(shù)能夠直接從CAD模型制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，讓設(shè)計(jì)減少了工藝約束的限制，拓寬了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)域。產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以“基于功能優(yōu)先”原則展開設(shè)計(jì)，有利于提升產(chǎn)品性能。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化與增材制造技術(shù)的融合是國際學(xué)術(shù)界對設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域未來發(fā)展方向的共識(shí)，也是必然趨勢。如何實(shí)現(xiàn)增材制造與結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)的完美融合，是充分發(fā)揮增材制造的工藝優(yōu)勢、突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式和加工工藝瓶頸，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)航天武器裝備結(jié)構(gòu)輕量化、體積小型化、功能集成化的關(guān)鍵。