高速飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及增材制造研究進(jìn)展

來源：《空天防御》2023年第2期
作者：丁曉紅、張橫、沈洪,，參考文獻(xiàn)見論文原文

高速、遠(yuǎn)射程/長航程、強(qiáng)機(jī)動性是武器,、飛機(jī)和空天往返飛行器等重大航空航天裝備的發(fā)展趨勢，這些性能對飛行器結(jié)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求,。采用多功能集成的先進(jìn)結(jié)構(gòu),，不僅能達(dá)到減重目的，還能減少飛行器結(jié)構(gòu)的制造裝配環(huán)節(jié),，減少飛行器失效概率,。針對高速飛行器的強(qiáng)機(jī)動性、遠(yuǎn)射程/長航程等性能需求,，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求如下,。

1） 極致輕量化：在滿足功能需求的基礎(chǔ)上,，采用點陣、蜂窩,、夾層等高剛輕質(zhì)結(jié)構(gòu),，結(jié)合增材制造，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的極致輕量化,。

2） 功能一體化：高速飛行器工作在高度復(fù)雜的熱聲振耦合環(huán)境下,，將不同功能的零部件集成到單一構(gòu)件上，減少工藝分離面與連接結(jié)構(gòu),，對飛行器的小型化和輕量化至關(guān)重要,。

3） 可制造性：傳統(tǒng)制造方法已很難滿足多功能、多材料,、高復(fù)雜度結(jié)構(gòu)的制造,，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)使這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造成為可能，但仍有一定的加工限制,，需考慮多種制造工藝約束的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,。

傳統(tǒng)的自下而上的“校核式設(shè)計”流程已很難滿足這種高性能、輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求,。近年來,，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生設(shè)計等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法與增材制造技術(shù)的融合,，不僅使飛行器關(guān)鍵零部件的設(shè)計制造一體化技術(shù)飛速發(fā)展,，而且已成為先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要手段。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在一定的約束條件下,，通過改變結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù),，以達(dá)到節(jié)約原材料或提高結(jié)構(gòu)性能的一種設(shè)計方法。拓?fù)鋬?yōu)化和仿生設(shè)計作為兩種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法,，為多功能集成結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了實現(xiàn)的可能性,；增材制造為具有復(fù)雜構(gòu)型的功能結(jié)構(gòu)制造提供了可能性。通過將拓?fù)鋬?yōu)化,、仿生設(shè)計與增材制造技術(shù)融合,，重新設(shè)計零件的形狀和功能，并使其適應(yīng)增材制造工藝要求,，最大限度地發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢,，實現(xiàn)先進(jìn)功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造一體化，是推動飛行器結(jié)構(gòu)向小型化,、輕量化,、高性能發(fā)展的重要手段。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可以不受結(jié)構(gòu)初始構(gòu)型的限制,，在設(shè)計域內(nèi)自主生成新的孔洞或連接,，通過尋優(yōu)得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型,，充分發(fā)掘結(jié)構(gòu)和材料潛能的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。增材制造技術(shù)通過空間增材方法實現(xiàn)成型,，其自由制造工藝特性使得跨尺度,、多層級、具有高度復(fù)雜幾何形狀構(gòu)件的制造成為可能,。將拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造技術(shù)相結(jié)合,，實現(xiàn)設(shè)計制造的融合，突破了傳統(tǒng)尺寸/形狀優(yōu)化,、等材/減材的制造要求,，擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械加工刀具可達(dá)性、拔模約束等工藝限制,，極大地拓展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造空間,，實現(xiàn)超輕質(zhì)、多尺度,、高性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計,。

自然界經(jīng)過億萬年的繁衍更迭、優(yōu)勝劣汰,，進(jìn)化出豐富的材料,、結(jié)構(gòu)和形態(tài)，具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度等功能特性�,，F(xiàn)代分析表征技術(shù)已證實,，天然材料的優(yōu)異性能或特殊功能，依靠其內(nèi)部復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)來實現(xiàn),，其尺度范圍通常橫跨納米尺度到宏觀尺度�,；�于生物靈感的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計,，是創(chuàng)新增材制造結(jié)構(gòu)的重要途徑之一，并有望實現(xiàn)增材制造結(jié)構(gòu)性能/功能的躍升,。

本文針對高速飛行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求,，從研究方法和分類應(yīng)用的角度，分析和總結(jié)近年來結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,、仿生設(shè)計與增材制造技術(shù)在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)研究,，為新一代高速飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。


1 面向增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程

融合增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程如圖1所示,，包括如下步驟：

圖1　面向增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程

1） 基于原模型建立結(jié)構(gòu)設(shè)計空間,，根據(jù)設(shè)計需求，劃分設(shè)計域和非設(shè)計域,，建立設(shè)計模型,；

2） 基于拓?fù)鋬?yōu)化,、仿生設(shè)計等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計，得到初始構(gòu)型,；

3） 基于概念設(shè)計結(jié)果,，建立結(jié)構(gòu)的三維幾何模型（CAD模型）；

4） 對CAD模型中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,，得到詳細(xì)設(shè)計結(jié)果,；

5） 增材制造前處理，包括STL（Stereolithography）模型生成,、切片處理,、打印方向確定和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計等；

6） 增材制造后處理,，包括粉末清除,、去應(yīng)力退火、支撐去除,、拋光,、精加工等；

7） 對增材制造部件進(jìn)行實驗驗證,。

2 創(chuàng)新設(shè)計方法在飛行器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

近年來,，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法基礎(chǔ)理論的不斷完善，以及計算機(jī)仿真計算能力的不斷提升,，國內(nèi)外學(xué)者積極開展拓?fù)鋬?yōu)化,、仿生設(shè)計與增材制造技術(shù)在飛行器領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造一體化方向取得了很多具有代表意義的研究成果,，推動了飛行器領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展,。已規(guī)劃和實施的增材制造項目表明，設(shè)計制造融合技術(shù)在飛行器設(shè)計制造領(lǐng)域顯示出重要的發(fā)展價值和應(yīng)用潛力,，其在航空航天工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用份額已占全部應(yīng)用領(lǐng)域的10%以上,。下面分別從全機(jī)結(jié)構(gòu)、舵翼面結(jié)構(gòu),、發(fā)動機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu),、支架和隔板等承載結(jié)構(gòu)4個應(yīng)用方面進(jìn)行綜述。

2.1 全機(jī)結(jié)構(gòu)

在全機(jī)結(jié)構(gòu)方面,，空客公司提出了基于增材制造設(shè)計（design for additive manufacturing,，DfAM）理念的“透明客機(jī)”設(shè)計概念方案，從弧形機(jī)身到仿生結(jié)構(gòu),，再到能讓乘客一覽藍(lán)天白云的透明蒙皮,，打破了傳統(tǒng)制造方法的桎梏。根據(jù)空客公司公布的計劃，這架夢幻飛機(jī)將在2050年變成現(xiàn)實,，屆時,，整個生產(chǎn)車間就是一臺巨型3D打印機(jī)，整個機(jī)身都由3D打印制造完成,。2019年7月29日,，蘇霍伊設(shè)計局公布了經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計后的蘇-57理論結(jié)構(gòu)模型。蘇-57是俄羅斯的第五代戰(zhàn)斗機(jī),，該機(jī)型的拓?fù)鋬?yōu)化模型很可能代表著蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)的終極形態(tài),，其在推重比、機(jī)動性,、超巡和航程等方面都有長足進(jìn)步,。為了減輕空間發(fā)射裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如級間段和錐形適配器等）的質(zhì)量，Vasiliev等通過技術(shù)開發(fā)并應(yīng)用了Anisogrid復(fù)合殼體結(jié)構(gòu),。Anisogrid復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)具有較大的剛度,，能夠承受較高壓縮載荷，極大地減輕了部件質(zhì)量,，節(jié)約了成本,。Totaro等針對Anisogrid復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并采用基于機(jī)器人的增材制造工藝進(jìn)行制造,，如圖2所示,。美國NASA蘭利研究中心對戰(zhàn)神5號重型貨物運載火箭的級間段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計研究，分析了6種初始概念的模型,，通過對比,，最終確定基于仿生設(shè)計的蜂窩級間段結(jié)構(gòu)擁有最優(yōu)異的性能。中國空氣動力學(xué)研究與發(fā)展中心提出了一種基于條件Wasserstein GAN-GP （WGAN-GP）,、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks,，CNN）、多任務(wù)學(xué)習(xí)混合專家（MMoE-3D）和差分進(jìn)化算法（differential evolution algorithm,，DE）的優(yōu)化框架,。通過對壓力中心變化率和升阻比進(jìn)行優(yōu)化，驗證了所提優(yōu)化框架的有效性,。與傳統(tǒng)的DATCOM優(yōu)化相比，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化框架在更短時間內(nèi)獲得了幾乎相同的測試結(jié)果,。華中科技大學(xué)學(xué)者針對飛行器承載構(gòu)型開展拓?fù)鋬?yōu)化研究,，在保證飛行器結(jié)構(gòu)指標(biāo)滿足約束的情況下，飛行器機(jī)身質(zhì)量由3.054 t 降至1.947 t,，一階固有頻率由293 Hz 提高到515 Hz,，如圖3所示。北京空間飛行器總體設(shè)計部研制了國際首個增材制造全三維點陣整星結(jié)構(gòu)，并隨千乘一號衛(wèi)星成功發(fā)射,，如圖4所示,。

圖2　Anisogrd復(fù)合殼體設(shè)計與制造

圖3　導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

圖4　整星結(jié)構(gòu)優(yōu)化及增材制造

2.2　舵翼面結(jié)構(gòu)

在飛行器舵翼面結(jié)構(gòu)方面，Walker等基于拓?fù)鋬?yōu)化,，對飛行器翼面結(jié)構(gòu)的肋部以及蒙皮厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,。隨后，基于增材制造技術(shù)實現(xiàn)了翼面結(jié)構(gòu)的制造,，如圖5所示,。Aage等對波音777客機(jī)的機(jī)翼進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，與原有機(jī)翼相比,，優(yōu)化結(jié)果其質(zhì)量輕2%~5%,，減重200~500 kg，使用該機(jī)翼的飛機(jī)每年可節(jié)省40~200 t燃油,。由于優(yōu)化設(shè)計得到的方案過于復(fù)雜,，傳統(tǒng)制造技術(shù)暫時無法應(yīng)用，理論上只有通過一臺足夠大的3D打印機(jī)才能制造如此復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu),，但該仿生設(shè)計方案對飛機(jī)輕量化設(shè)計探索具有重要意義,。候政等結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對導(dǎo)彈升力面結(jié)構(gòu)顫振抑制設(shè)計進(jìn)行研究,，并進(jìn)一步將該技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈折疊舵結(jié)構(gòu)顫振抑制設(shè)計中,，獲得比原始設(shè)計方案顫振臨界速度更大的折疊舵結(jié)構(gòu)。美國馬里蘭大學(xué)研究人員采用3D打印,，開發(fā)了一種魚骨仿生可變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu),，該機(jī)翼由魚骨狀內(nèi)部骨架和柔性蒙皮構(gòu)成，可實現(xiàn)連續(xù)光滑變形,，研究人員利用3D打印方法,，將FishBAC骨架、蒙皮內(nèi)部的蜂窩狀子結(jié)構(gòu),、抗撕裂層和蒙皮表面整體打印出來,，如圖6所示。該魚骨仿生結(jié)構(gòu)變彎度機(jī)翼,，從翼根到翼尖只有42 cm,，但結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)卻非常完整，尺寸縮小降低了成本和打印時間,；對試件進(jìn)行風(fēng)洞試驗,，試驗中風(fēng)速達(dá)到24 m/s，原理樣機(jī)實現(xiàn)了預(yù)期變形,，同時結(jié)構(gòu)未發(fā)生顫振,，試驗證明了將魚骨仿生結(jié)構(gòu)用于變彎度機(jī)翼的可行性,。朱繼宏等將仿生結(jié)構(gòu)的概念引入飛行器舵面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，分布合理的Y形分支結(jié)構(gòu)可以很好地實現(xiàn)承載功能,；同時,，通過數(shù)值模擬和拓?fù)鋬?yōu)化，討論了Y形分支分布對結(jié)果的影響,；將Y形分支作為一種特殊的結(jié)構(gòu)特征,，結(jié)合結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，同時進(jìn)行特征驅(qū)動優(yōu)化,，建立了仿生設(shè)計流程,；最終設(shè)計出一種典型的飛行器方向舵結(jié)構(gòu)，并采用立體光刻增材制造技術(shù)進(jìn)行了制造,；與傳統(tǒng)設(shè)計相比,，仿生優(yōu)化的剛度和強(qiáng)度均提高了20%以上，如圖7所示,。鄭昌隆等基于自適應(yīng)成長法,，對舵面內(nèi)部的骨架分布進(jìn)行了仿生拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行了增材制造驗證,，如圖8所示,；相比初始的舵面設(shè)計方案，優(yōu)化所得骨架構(gòu)型在使舵面結(jié)構(gòu)一階固有頻率提升11%的同時,，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重21.5%,，驗證了舵面骨架仿生拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的高效性。

圖5　面向增材制造的翼面結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

圖6　仿生魚骨主動變彎結(jié)構(gòu)及風(fēng)洞實驗

圖7　基于Y形分支特征飛行器方向舵結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計

圖8　基于自適應(yīng)成長法的舵面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計

2.3　發(fā)動機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)

在發(fā)動機(jī)相關(guān)零部件方面,，美國Cobra Aero公司將3D打印技術(shù)應(yīng)用于替換無人機(jī)發(fā)動機(jī)的氣缸鑄件,。原始的發(fā)動機(jī)零件帶有散熱片，幫助運行中的電動機(jī)散熱和冷卻,。通過改進(jìn)設(shè)計,，放棄散熱片結(jié)構(gòu)并選擇了基于點陣的冷卻策略，最終的氣缸設(shè)計與原始結(jié)構(gòu)完全不同,，在提供更好冷卻效果的前提下減輕了裝置的質(zhì)量,，如圖9所示。2016 年3月18日,，美國海軍“三叉戟”ⅡD5洲際彈道導(dǎo)彈在飛行試驗中,，首次采用了3D打印導(dǎo)彈連接器后蓋，該導(dǎo)彈部件由洛克希德·馬丁公司制造,，該公司采用全數(shù)字化流程,，設(shè)計和制造了該新部件，較傳統(tǒng)方法節(jié)省了一半時間,。連接器后蓋用于保護(hù)導(dǎo)彈內(nèi)部的線纜集線器，采用鋁合金材料，長2.5 cm,，如圖10所示,。2022年3月中旬，美國成功測試一枚由洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的高超聲速巡航導(dǎo)彈,，該導(dǎo)彈從B52轟炸機(jī)上發(fā)射,，以大于5 馬赫的速度飛行，飛行高度>19 812 m,，飛行距離>482.8 km,；該導(dǎo)彈由Aerojet Rocketdyne超燃沖壓發(fā)動機(jī)提供動力，該發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)使用3D打印技術(shù)制造,，如圖11所示,，其零件數(shù)量相比此前乘波者X-51A飛行器的發(fā)動機(jī)零件減少了95%。通過使用創(chuàng)新的制造技術(shù)和材料,，不僅提高了產(chǎn)品性能,，還大幅降低了成本和開發(fā)時間。美國雷神科技公司（原UTC聯(lián)合技術(shù)公司）開發(fā)了一種新的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒器區(qū)段的冷卻燃料噴射器系統(tǒng),，并通過增材制造技術(shù)進(jìn)行制造,；該系統(tǒng)部件內(nèi)部包含了血管工程（vascular engineered structure lattice，VESL）結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)設(shè)置在燃料噴射器系統(tǒng)部件的壁之間,，由空隙圍繞，使第二冷卻流體圍繞VESL結(jié)構(gòu)的節(jié)點和分支通過,，如圖12所示,。

圖9　Cobra Aero公司增材制造的點陣缸體結(jié)構(gòu)

圖10　增材制造鋁合金連接器背殼組件

圖11　超燃發(fā)動機(jī)再生冷卻薄壁夾層結(jié)構(gòu)

圖12　VESL結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)冷卻燃料噴射器結(jié)構(gòu)

2.4　支架、隔板等承載結(jié)構(gòu)

在支架等承載結(jié)構(gòu)方面,，歐洲宇航局（ESA）聯(lián)合瑞士RUAG公司和美國Altair公司開發(fā)了一套新的支架系統(tǒng),，用于“哨兵-1c”和“哨兵-1d”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中。開發(fā)者使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計,，然后通過增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn),。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，新型支架結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了40%,，通過了航空領(lǐng)域的綜合性能測試,。空客公司聯(lián)合西班牙先進(jìn)航空航天技術(shù)中心（CATEC）對“織女星”火箭連接支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計及增材制造,，在保證剛度不變的情況下,，其質(zhì)量減小了約50%。Hayduke等將拓?fù)鋬?yōu)化,、增材制造與鑄造技術(shù)相結(jié)合,，實現(xiàn)了對某導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計及制造,。ESA聯(lián)合弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所（IWS）和空中客車公司（Airbus）開發(fā)了一種混合增材制造技術(shù)，將激光金屬沉積（laser metal deposition,，LMD）的高靈活性與低溫加工的精確性相結(jié)合,，用于制造大型鈦合金部件，其直徑為1.5 m的反射鏡支架結(jié)構(gòu)如圖13所示,�,？湛凸�司研發(fā)人員基于生物啟迪實現(xiàn)了跨尺度仿生點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計：在宏觀尺度上，基于“黏菌自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”算法實現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計,；在微觀尺度上,，該構(gòu)件借鑒了骨骼生長的生物靈感，完成了超過66 000個網(wǎng)格的排布,，實現(xiàn)了微觀網(wǎng)格稠密度與應(yīng)力分布相匹配,。最終，使該跨尺度仿生點陣構(gòu)件較原蜂窩復(fù)合材料隔板結(jié)構(gòu)在相同沖力下（9 g的重力加速度）的位移減少了8%（9 mm）,。在成形工藝上,，該構(gòu)件采用112個部件組裝而成，相較于原蜂窩復(fù)合材料隔板構(gòu)件減重45%（30 kg）,，可使空客公司每年節(jié)省465 000 t二氧化碳排放量,，并有望將此設(shè)計批量化應(yīng)用于A320客機(jī)上，設(shè)計結(jié)果如圖14所示,。我國2019年發(fā)射的嫦娥四號中繼衛(wèi)星“鵲橋”上的動量輪支架,，采用增材制造技術(shù)加工完成，減重50%,。Jiang等基于拓?fù)鋬?yōu)化方法對導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,，并進(jìn)行了3D打印及試驗驗證，如圖15所示,。結(jié)果表明,，在保證性能的前提下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小了11.06%,，同時3D打印技術(shù)大大縮短了開發(fā)周期,。Li等提出一種基于彈體結(jié)構(gòu)的布置方案和參數(shù)模型，實現(xiàn)彈體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計,、建模和自動調(diào)整的方法,，開發(fā)了彈體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計模塊，實現(xiàn)了彈體結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計,、自動調(diào)整,，以及質(zhì)量、重心等數(shù)據(jù)的自動計算和更新,。倪維宇等提出阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法,，對某航天器安裝板阻尼材料分布進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,，優(yōu)化后復(fù)合結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能顯著提高。許煥賓等基于“功能優(yōu)先”原則,，借助solid Thinking Inspire軟件,，對支架的傳力路徑進(jìn)行優(yōu)化分析，再結(jié)合3D打印技術(shù),，采用高剛、高強(qiáng)的輕質(zhì)柵格夾層殼結(jié)構(gòu),，通過徑向,、軸向、周向的變厚度設(shè)計,，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載比為4%的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu),。Shi等基于熱彈性拓?fù)鋬?yōu)化，對某航空支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計并增材制造,，在滿足設(shè)計約束條件下,，質(zhì)量減小18%。張嘯雨等發(fā)展了基于蒙皮點（moving morphable component,，MMC）的拓?fù)鋬?yōu)化方法,，完成了面向增材制造的中國空間站某相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，該結(jié)構(gòu)采用激光選區(qū)熔化成形（selective laser melting,，SLM）工藝制造,，通過了力學(xué)試驗考核，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重50％,，其基頻相較原結(jié)構(gòu)提高35%,，完成了基于MMC方法的蒙皮點陣一體化結(jié)構(gòu)在我國載人航天領(lǐng)域的首次型號應(yīng)用與在軌驗證，如圖16所示,。該團(tuán)隊進(jìn)一步將拓?fù)鋬?yōu)化方法與細(xì)觀點陣填充相結(jié)合,，完成了中巴地球資源04A衛(wèi)星、資源03衛(wèi)星等航天器關(guān)鍵設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與研制,，實現(xiàn)了在多個型號航天器中的在軌應(yīng)用,。

圖13　反射鏡支架仿生及增材制造

圖14　空客公司新型跨尺度仿生點陣結(jié)構(gòu)機(jī)艙隔板設(shè)計制造

圖15　導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印

圖16　航天器支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及增材制造

綜上所述，學(xué)者們通過對結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和仿生設(shè)計等基礎(chǔ)理論的研究,，探索面向高速飛行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法,，并將其與增材制造相結(jié)合，為高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造一體化提供了新思路和新方法,。通過上述分析,，將近年來結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及增材制造在飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用成果進(jìn)行了整理歸納，具體內(nèi)容見表1,。

表1　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及增材制造在飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用

3 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和仿生設(shè)計作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計手段,，在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出巨大能力與潛力,，不但為飛行器結(jié)構(gòu)研制提供了有效設(shè)計工具，更重要的是帶來設(shè)計理念的變革,。將其與增材制造技術(shù)相結(jié)合,，充分發(fā)揮增材制造的空間制造優(yōu)點，實現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造一體化,，使得超輕質(zhì)高性能全新結(jié)構(gòu)特征,，如復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、異型曲面,、多尺度點陣的實現(xiàn)成為可能,，為先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)的整體化和輕量化制造提供了必要手段。但是飛行器結(jié)構(gòu)所面臨的極端載荷環(huán)境和制造工藝的特殊性,，對設(shè)計提出了更高要求,。要真正實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還有很長的路要走,。

1） 目前,，在飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用中，拓?fù)鋬?yōu)化方法仍然以傳統(tǒng)的靜剛度,、靜強(qiáng)度等常規(guī)承載性能設(shè)計為主,，需進(jìn)一步研究動載荷下的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對于舵翼面等薄壁結(jié)構(gòu)需要考慮顫振特性的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),，提高飛行器結(jié)構(gòu)的顫振性能,，改善飛行器結(jié)構(gòu)的氣動彈性性能。

2） 增材制造極大地拓展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造空間,。然而,，增材制造并非真正的“自由”制造，仍存在特定的制造約束,。因此,，后續(xù)應(yīng)將增材制造約束添加進(jìn)拓?fù)鋬?yōu)化和仿生設(shè)計模型中，形成考慮增材制造可制造性的飛行器結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計方法,，發(fā)展材料-結(jié)構(gòu)-功能-制造一體化設(shè)計技術(shù),。

3） 增材制造由于其特殊成形方式，尤其是金屬增材制造,，涉及物理,、化學(xué)、力學(xué)和材料冶金等多學(xué)科,，選用不同工藝參數(shù)會產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷以及微結(jié)構(gòu)組織形式,。目前，對內(nèi)部組織形成規(guī)律和內(nèi)部缺陷形成機(jī)理、零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律,，以及變形開裂行為等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題,，仍缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識和研究，難以準(zhǔn)確評估材料與結(jié)構(gòu)的疲勞力學(xué)行為,。因此,，亟需建立增材制造結(jié)構(gòu)件形性評估方法和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，研究增材制造材料與結(jié)構(gòu)的疲勞力學(xué)行為,，建立疲勞設(shè)計準(zhǔn)則,，探索考慮結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的拓?fù)鋬?yōu)化方法。

4） 目前,，研究大部分集中于運載火箭,、飛機(jī)、無人機(jī)等傳統(tǒng)的航空航天飛行器,，而導(dǎo)彈等高超聲速飛行器在臨近空間/大氣層內(nèi)長時間（以超過5 馬赫的速度）持續(xù)飛行，因工作環(huán)境極其惡劣,，尤其在彈身/機(jī)身外形局部的氣動駐點,、激波附著點，以及采用吸氣式動力形勢的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道,、燃燒室等部位,，熱環(huán)境較為嚴(yán)酷，對零組件材料的耐高溫性能,、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能等要求較高,，同時對零組件空間外形、自身質(zhì)量等也有著苛刻要求,。因此,，在相關(guān)設(shè)計理論和方法上，更需要開展深入的研究,。

5） 先進(jìn)飛行器向著多功能,、高機(jī)動、高可靠等方向發(fā)展,，因此具有自診斷,、自修復(fù)、自適應(yīng)功能的智能化飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)備受重視,。加快現(xiàn)有智能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)在飛行器設(shè)計,、制造階段的應(yīng)用，推動智能材料結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),、復(fù)合材料,、增材制造等技術(shù)的結(jié)合與創(chuàng)新，推進(jìn)智能材料及其結(jié)構(gòu)在飛行器領(lǐng)域的工程化,，實現(xiàn)飛行器的減重提效,、降低維護(hù)成本,、提高安全性等是今后的研究重點。