近年來，國外高超聲速飛行器、先進(jìn)航天運(yùn)載器飛行故障分析表明，航天薄壁構(gòu)件熱結(jié)構(gòu)失效問題、結(jié)構(gòu)維形失效問題、振動(dòng)失效問題的根本原因均可歸結(jié)于嚴(yán)酷熱-機(jī)械耦合載荷環(huán)境下材料-結(jié)構(gòu)-性能的不匹配設(shè)計(jì)。為了保證嚴(yán)酷服役環(huán)境下的結(jié)構(gòu)防熱、承載、振動(dòng)等綜合性能以及輕量化設(shè)計(jì)要求，必須從宏微觀多尺度以及設(shè)計(jì)制造多層面深入挖掘材料-結(jié)構(gòu)潛力，提升材料、結(jié)構(gòu)、工藝等多種因素匹配設(shè)計(jì)水平。

        西北工業(yè)大學(xué)張衛(wèi)紅院士團(tuán)隊(duì)在《航空學(xué)報(bào)》期刊中發(fā)表了《航天高性能薄壁構(gòu)件的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)》一文。本期將分享該論文的研究亮點(diǎn)。

論文鏈接：
https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2022.27428

 研究亮點(diǎn)

本文主要回顧了近年來薄壁構(gòu)件高性能設(shè)計(jì)與制造及其航天應(yīng)用的主要成果，圍繞材料-結(jié)構(gòu)多尺度建模與性能表征、多材料多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造原理、增材制造材料性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的交互作用機(jī)制等科學(xué)問題，就結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的制造工藝約束建模，增材制造工藝參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，高性能構(gòu)件材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法及航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用展開論述，并展望了未來典型航天薄壁構(gòu)件材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)和制造方法發(fā)展前景與應(yīng)用，為未來相關(guān)研究工作和航空航天裝備研發(fā)提供參考。

近幾年研究團(tuán)隊(duì)在該方向上取得的主要研究成果如下：

1）制造工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)激光增材制造所導(dǎo)致的各向異性特征，提出了多工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)拓?fù)涞膮f(xié)同優(yōu)化框架，通過物理實(shí)驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了工藝參數(shù)和材料性能的映射關(guān)系，結(jié)合工程需求建立了三種優(yōu)化模型，用于設(shè)計(jì)材料性能和結(jié)構(gòu)拓?fù)�。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，獲得了近似各向同性的成形材料和對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)了工藝-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。相較于傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了結(jié)構(gòu)性能，如圖1所示。

圖1 增材制造工藝-結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化

2）材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。為避免多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化中重復(fù)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)等效計(jì)算，提出了參數(shù)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和代理模型的概念，即預(yù)先由一組參數(shù)控制生成一系列微結(jié)構(gòu)樣本庫，并基于均勻化理論等效宏觀力學(xué)性能，隨后采用多項(xiàng)式插值建立微結(jié)構(gòu)宏觀性能與控制參數(shù)之間的映射關(guān)系。這一過程不僅與優(yōu)化過程互相分離，而且可以重復(fù)應(yīng)用于不同的優(yōu)化問題中，顯著提升了結(jié)構(gòu)承載性能，同時(shí)有效的兼顧了設(shè)計(jì)自由度和計(jì)算效率，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)陣-加筋混雜的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

3）航空航天應(yīng)用。針對(duì)易受振動(dòng)激勵(lì)影響的衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)，基于模態(tài)加速度法提出了動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法，在骨骼腔體仿生結(jié)構(gòu)啟發(fā)下，發(fā)展了結(jié)構(gòu)拓?fù)?點(diǎn)陣構(gòu)型的協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了宏觀結(jié)構(gòu)拓?fù)浜忘c(diǎn)陣填充樣式的匹配設(shè)計(jì)。針對(duì)某衛(wèi)星平臺(tái)，在保證固有頻率大于50 Hz的前提下，進(jìn)一步將衛(wèi)星設(shè)備組件布局集成到一體化設(shè)計(jì)模型中，在滿足結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)減重32%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。針對(duì)高速飛行器防熱-承載一體化設(shè)計(jì)需求，提出了由耐高溫陶瓷基復(fù)合材料層、輕量化隔熱點(diǎn)陣層和金屬加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)組成的多層熱防護(hù)系統(tǒng)，并集成結(jié)構(gòu)拓?fù)渥兞俊Ⅻc(diǎn)陣位置變量和點(diǎn)陣構(gòu)型參數(shù)三種混合變量，對(duì)集成熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，有效提升了熱防護(hù)效果同時(shí)降低了熱應(yīng)力。針對(duì)高超飛行器上的整體式舵面結(jié)構(gòu)，提出了多尺度實(shí)體-點(diǎn)陣混雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其靜剛度和動(dòng)力學(xué)性能均顯著優(yōu)于純實(shí)體結(jié)構(gòu)和純點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)方案。

圖3 面向航空航天的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

原論文信息:

張衛(wèi)紅,周涵,李韶英,朱繼宏,周璐. 航天高性能薄壁構(gòu)件的材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)[J]. 航空學(xué)報(bào), 2023, 44(9): 627428.

(責(zé)任編輯：admin)

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