基于增材制造技术的飞机零部件结构优化研究.pdf
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1、第5期(总第2 40 期)2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号:16 7 2-6 413(2 0 2 3)0 5-0 2 2 5-0 2基于增材制造技术的飞机零部件结构优化研究吴海荣1,刘明刚,毛剑锋,周元莉,王晓峰(1海装沈阳局驻沈阳地区第一军代表室,辽宁沈阳110 8 50;2.沈阳飞机工业(集团)有限公司,辽宁沈阳110 0 34)摘要:介绍了增材制造技术的工艺特点,以增材制造为支撑探讨了飞机零部件结构优化的应用和前景。研究表明,增材制造技术可以突破传统加工方法,使飞机零部件结构深度
2、优化成为现实。关键词:增材制造技术;结构优化;飞机零部件中图分类号:V221+.92文献标识码:A0引言飞机零部件的传统加工方式一般包括机加、钣金、铸造和焊接等工艺形式,受限于工艺特性,这些加工方式要求零件结构及外形比较规整,力求“横平竖直”,尽量避免出现加工闭角、复杂或小曲率曲面,结构设计在很大程度上对工艺做出让步,因而难以实现最优传力路径与最轻重量。随着国家对新一代飞机战略布局的实施,对飞机高速、耐高温等技术指标的要求更加严苛,传统加工方式越来越难以满足指标要求。为此,将增材制造技术引入飞机零部件设计,以实现零部件深层次的结构优化与重量减轻。基于增材制造工艺,以提高结构性能和减重为目标,可
3、以按照产品性能要求和载荷约束,生成结构上的最优设计方案。本文通过应用增材制造成形技术,对多种飞机零部件的结构设计进行送代优化。与传统加工形式对比,新的设计方法在提高强度、减小应力、减轻重量等方面取得了良好的成效。1增材制造技术工艺特点增材制造技术又名“3D打印技术”,是一种加法式立体一体化制造技术,是以计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)为基础,将材料(流体、粉材、丝材、块体)或逐层固化、熔敷,或逐层累叠、块体组焊连接成为整体结构的新兴制造技术1。相对于传统加工技术,它具有无模具快速自由成形、零件近净成形和零部件一体化成形等特点,材料利用率高,可实现传统难加工材料成形,并且特别适合复杂零部件
4、的加工成形。2结构优化方法2.1微桁架点阵结构微桁架点阵结构具有超轻、热控、高孔隙率、高比收稿日期:2 0 2 3-0 2-13;修订日期:2 0 2 3-0 7-0 4作者简介:吴海荣(19 8 1-),男,河北大城人,工程师,硕士,主要从事航空装备管理和建造。强度和减振降噪等优点,是实现飞机结构优化的重要途径之一,微桁架点阵结构的可制造性是制约其发展的关键瓶颈,而金属增材制造技术的出现突破了其制备上的限制,极大拓展了微桁架结构的设计空间2 。目前,常见的微桁架单胞结构有“金字塔形”“米字形”与“十二面体形”,如图1所示。(a)金字塔形(b)米字形图1微桁架单胞结构微桁架结构可采用单层单元体
5、实现,如格栅、导管等薄壁结构,如图2 所示;也可以采用叠加单元体实现具有一定厚度的镂空结构,如支座、接头等,多层镂空结构可采用同一种单元实现,也可以根据工艺成形或载荷分布情况采用不同种类或不同尺寸的单元体混合实现,如图3所示。(a)单层微桁架点阵结构图2 单层微桁架点阵结构及局部放大图2.2结构拓扑优化(c)十二面体形(b)局部放大226在飞机零部件结构设计过程中,减重对于提高飞机的整体性能至关重要。拓扑优化设计是减重的一种重要手段,在给定载荷、工况约束的条件下,生成最优的拓扑结构模型。目前,拓扑优化主要有三大方法:均质化法、变密度法和进化结构优化方法。其中,变密度法是工程拓扑优化较为常用的方
6、法之一,广泛应用于多种约束和相应的连续体拓扑优化问题3。优化时以材料密度为拓扑设计变量,从而将结构拓扑优化问题转换为材料的最优分布问题4。其优化过程为:重新定义零件模型;对有限元模型进行网格划分;定义设计空间;拓扑优化计算获得密度云图;优化结果后处理,获得新结构轮廓并创建IGES曲面;人工修正。阵列图3多层镂空微桁架点阵结构2.3拓扑微桁架结构优化点阵结构与拓扑结构的联合优化,可以叠加实现增材承力结构件与功能一体化构件的应用,可大大解决飞机零部件的减重、周期与成本问题。图4是针对飞机脚踏零件开展的基于传统机加工工艺与基于点阵拓扑的增材工艺对比研究,经分析比较,在满足使用要求的前提下,后者重量至
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