（西北工業(yè)大學(xué)金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072）

新世紀(jì)以來(lái)，先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了我國(guó)航空航天技術(shù)與高端裝備的進(jìn)步，其中以增材制造為代表的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)型制造工藝正成為實(shí)現(xiàn)下一代航空航天飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輕量化、高性能和多功能研制的有力保障，也極大地促進(jìn)了結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展。

在飛行器結(jié)構(gòu)的研制過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)型使結(jié)構(gòu)主承力框架、次承力件和設(shè)備安裝支架等承載環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)整體化構(gòu)造、一體化布局和緊湊性、輕量化構(gòu)型設(shè)計(jì)，可最大限度地減少結(jié)構(gòu)的工藝分離面，省去受限于制造工藝而添加的過(guò)渡輔助結(jié)構(gòu)特征和連接件，大幅提高結(jié)構(gòu)完整性?！讹w機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]明確指出，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，尤其是主承力結(jié)構(gòu)件采用整體構(gòu)型設(shè)計(jì)，不但可以減少零件數(shù)目、降低結(jié)構(gòu)重量，而且飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率、承載性能和可靠性可成倍甚至數(shù)10倍提高，可以說(shuō)結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型是先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。隨著新型飛行器性能要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)傳力路徑構(gòu)造和承載的一體化范疇。當(dāng)前，結(jié)構(gòu)承載性能與防熱、減振、降噪、電磁等多功能、多尺度、跨學(xué)科的一體化設(shè)計(jì)與制造顯得越來(lái)越重要。

近年來(lái)，作為整體結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，以拓?fù)鋬?yōu)化為代表的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法在計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域以及航空航天、機(jī)械工程應(yīng)用中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[2]，引發(fā)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的變革，其顯著的工程應(yīng)用效果成為眾多學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法仍然屬于單一結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式，在結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)中通常只能采用結(jié)構(gòu)拓?fù)浜凸δ芴卣鞑季值拇性O(shè)計(jì)方式，即先通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化確定結(jié)構(gòu)構(gòu)型，然后進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在特定預(yù)留位置設(shè)計(jì)功能特征。這種顧此失彼的設(shè)計(jì)方式不僅無(wú)法體現(xiàn)從結(jié)構(gòu)構(gòu)型到功能特征以及從主承力框架到次承力件力學(xué)性能之間的耦合關(guān)系，而且難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)剛度、質(zhì)量等特性以及多學(xué)科功能的匹配協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，實(shí)際過(guò)程中往往需要添加輔助支撐和配重來(lái)補(bǔ)償傳力路徑并調(diào)節(jié)系統(tǒng)質(zhì)量分布，結(jié)果造成系統(tǒng)增重、承載性能下降，無(wú)法滿(mǎn)足先進(jìn)飛行器整體結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的力學(xué)性能與多學(xué)科功能要求。

另一方面，受限于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然局限于零件級(jí)，如單個(gè)桁條、耳片接頭、腹板等，未能充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。以某機(jī)型前機(jī)身艙段結(jié)構(gòu)為例，結(jié)構(gòu)承力框架、次承力件和設(shè)備安裝支架、薄壁加筋、工藝開(kāi)口等功能特征的構(gòu)型和布局設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足切削、鈑金等機(jī)械加工工藝，需要制造100余個(gè)零件，通過(guò)數(shù)千個(gè)連接件將其組裝在一起，不僅工藝復(fù)雜、周期長(zhǎng)，需要冗長(zhǎng)的協(xié)調(diào)和裝配過(guò)程，而且分離面、結(jié)構(gòu)連接件以及傳統(tǒng)加工工藝導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重超重。同時(shí)，零件加工和裝配過(guò)程引起的結(jié)構(gòu)超差、裝配誤差累積、連接薄弱環(huán)節(jié)和應(yīng)力集中等問(wèn)題極大地削弱了結(jié)構(gòu)的完整性與承載性能。

增材制造與結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的融合

增材制造技術(shù)改變了產(chǎn)品的制造方式，是制造技術(shù)原理的一次革命性突破。此時(shí)，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(shì)，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式和加工工藝瓶頸、進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量、提升結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵（圖1）。

目前，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(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。2012年2月美國(guó)公布的《先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》正式將先進(jìn)制造業(yè)提升為國(guó)家戰(zhàn)略，提出建立“國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”（NNMI）。在此體系下先后成立了“國(guó)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(guó)家級(jí)研究平臺(tái)。NAMII 公布的技術(shù)路線(xiàn)圖5個(gè)研究領(lǐng)域中首先即為“設(shè)計(jì)”；DMDII 2014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[3]。

圖1 結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)與增材制造的融合可最大限度挖掘結(jié)構(gòu)性能潛力Fig.1 Match of the integrated structure design and additive manufacturing could exploit potential of structural performance

結(jié)構(gòu)優(yōu)化與增材制造技術(shù)的融合也是國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展方向的共識(shí)[4-6]，同時(shí)也給設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域帶來(lái)了很多新機(jī)遇和挑戰(zhàn)[7-8]。近期的典型工作有：Chu等[9]比較了粒子群算法（PSO）和基于最小二乘的Levenburg-Marquardt（LM）算法，并將其應(yīng)用于增材制造的二維單胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Emmelmann等[10]提出了一種將結(jié)構(gòu)優(yōu)化、仿生、激光增材制造技術(shù)集成的新方法，更好地實(shí)現(xiàn)了器件的輕量化設(shè)計(jì)。李滌塵等[11]提出宏微觀(guān)結(jié)構(gòu)一體化增材制造的觀(guān)點(diǎn)，以克服傳統(tǒng)制造技術(shù)中宏觀(guān)外形與微觀(guān)結(jié)構(gòu)分別研究的局面，使得零件制造短流程化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料節(jié)約和能源節(jié)省。王向明等[12-13]認(rèn)為增材制造能為飛機(jī)結(jié)構(gòu)研制提供一條全新的技術(shù)途徑，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向最佳性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)制造工藝約束下的優(yōu)化設(shè)計(jì)向高度設(shè)計(jì)-制造一體化轉(zhuǎn)變，可實(shí)現(xiàn)如大型整體結(jié)構(gòu)、梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)、多功能一體化結(jié)構(gòu)等多種新型結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)掘結(jié)構(gòu)承載性能。此外，針對(duì)增材制造過(guò)程中需要添加額外的支撐材料的問(wèn)題，研究人員在拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)額外支撐材料的增材制造，大大節(jié)約制造時(shí)間和成本[14-15]。Zhang等[16]提出了一種應(yīng)用于增材制造的可變密度六邊形單胞結(jié)構(gòu)，包括材料模型標(biāo)定、拓?fù)鋬?yōu)化和單胞結(jié)構(gòu)重構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在保證結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械性能的前提下，減輕了結(jié)構(gòu)重量。Zegard等[17]結(jié)合了拓?fù)鋬?yōu)化方法變量定義和構(gòu)型設(shè)計(jì)理論，闡述了拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造結(jié)合的典型結(jié)構(gòu)成形工藝問(wèn)題以及應(yīng)用前景。結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域著名學(xué)者、ASME終身成就獎(jiǎng)獲得者Grandhi教授認(rèn)為，面向增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是拓?fù)鋬?yōu)化未來(lái)重要的發(fā)展方向[18]；2015年7月，以美國(guó)西北大學(xué)Liu教授為代表的計(jì)算力學(xué)著名學(xué)者在美國(guó)計(jì)算力學(xué)大會(huì)上，以增材制造的建模與仿真技術(shù)為專(zhuān)題將輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與增材制造的融合列為關(guān)鍵問(wèn)題。國(guó)際結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化學(xué)會(huì)（ISSMO）副主席Duysinx教授，在2015年西班牙馬德里召開(kāi)的第9屆歐洲固體力學(xué)會(huì)議（ESMC2015）上專(zhuān)題介紹了“面向增材制造的應(yīng)力約束拓?fù)鋬?yōu)化特點(diǎn)與解決方案”和“結(jié)構(gòu)優(yōu)化構(gòu)型增材制造中的確定性工藝約束”研究進(jìn)展[19]。近期，西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合金屬增材制造、航空宇航制造、飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料科學(xué)和高性能計(jì)算等優(yōu)勢(shì)學(xué)科方向，成立了金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，旨在通過(guò)高端裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法理論和快速研制技術(shù)的跨學(xué)科交叉性研究，促進(jìn)我國(guó)航空、航天高端裝備制造業(yè)的跨越式發(fā)展。

面向增材制造的復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

飛行器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分發(fā)揮增材制造工藝的整體成形、跨尺度成形的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主承力框架、次承力件和設(shè)備安裝支架等多種承載環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)型和功能特征布局的一體化，其核心思想為：整體的承載環(huán)節(jié)構(gòu)造、綜合考慮的多功能性能耦合、匹配的跨尺度構(gòu)型和一體化的設(shè)計(jì)制造思想。其中涉及的關(guān)鍵難題主要包括：多種承載環(huán)節(jié)與功能特征的整體優(yōu)化建模與性能分析、整體結(jié)構(gòu)多學(xué)科性能與功能綜合設(shè)計(jì)方法、跨尺度結(jié)構(gòu)-微結(jié)構(gòu)性能表征與尺度效應(yīng)的影響機(jī)理、增材制造工藝對(duì)整體結(jié)構(gòu)件性能的影響機(jī)理及其制造工藝約束。

首先，增材制造整體成形的前提是結(jié)構(gòu)構(gòu)型整體構(gòu)造與建模。由于結(jié)構(gòu)件中存在大量復(fù)雜幾何外形和薄壁結(jié)構(gòu)特征，主承力框架、次承力件和設(shè)備安裝支架等不同幾何尺寸規(guī)模的結(jié)構(gòu)件整體建模需要采用不同自由度、不同類(lèi)型以及尺寸差異較大的有限元計(jì)算網(wǎng)格，造成模型性能連續(xù)性差、優(yōu)化設(shè)計(jì)模型迭代更新自動(dòng)化程度低、建模工作量大等問(wèn)題。上述問(wèn)題嚴(yán)重限制了整體構(gòu)型優(yōu)化方法在復(fù)雜飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

因此，合理描述承載環(huán)節(jié)之間的幾何與力學(xué)界面并實(shí)現(xiàn)其參數(shù)化成為解決上述設(shè)計(jì)建模難題，實(shí)現(xiàn)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)并最終實(shí)現(xiàn)高性能整體成型的關(guān)鍵。目前，學(xué)術(shù)界圍繞該問(wèn)題取得了一些初具實(shí)用性的研究成果。例如基于超單元子結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)自由度約束的一體化模型，基本思路是用超單元模型改進(jìn)貼體有限元網(wǎng)格，用多點(diǎn)自由度約束代替貼體網(wǎng)格的直接節(jié)點(diǎn)連接。超單元子結(jié)構(gòu)可以對(duì)不同幾何尺寸規(guī)模、不同網(wǎng)格類(lèi)型的多個(gè)承載環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)建模和計(jì)算網(wǎng)格劃分，避免了不連續(xù)幾何界面整體建模的困難，而且超單元內(nèi)部大量自由度縮聚可有效提高分析與設(shè)計(jì)效率；多點(diǎn)自由度約束模型可自由實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)面、面對(duì)面的幾何和力學(xué)連接，避免了直接節(jié)點(diǎn)連接帶來(lái)的界面網(wǎng)格劃分難題，而且可在承載環(huán)節(jié)間相對(duì)位置參數(shù)變化時(shí)保持固定計(jì)算網(wǎng)格，避免了網(wǎng)格重劃工作量。另一思路是采用基于固定網(wǎng)格的X-FEM擴(kuò)展有限元方法，各承載環(huán)節(jié)之間不再需要對(duì)其界面進(jìn)行明晰的網(wǎng)格劃分，而是通過(guò)積分點(diǎn)的擴(kuò)展與細(xì)分在單元內(nèi)部實(shí)現(xiàn)力學(xué)界面建模。固定背景網(wǎng)格模型分離了結(jié)構(gòu)的幾何模型與分析模型，有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)型與功能特征布局的一體化設(shè)計(jì)。

其次，面向增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)“性能優(yōu)先”設(shè)計(jì)，增材制造結(jié)構(gòu)在空間上的復(fù)雜性和多樣性使實(shí)現(xiàn)多功能、多學(xué)科性能綜合設(shè)計(jì)成為可能（圖2）。目前由于各種性能和功能設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的不同環(huán)節(jié)，現(xiàn)實(shí)中往往采用分離設(shè)計(jì)的思路，即由分屬不同學(xué)科的設(shè)計(jì)部門(mén)各自完成性能和功能設(shè)計(jì)，由總體部門(mén)進(jìn)行協(xié)調(diào)并各自進(jìn)行調(diào)整。這種設(shè)計(jì)方式的缺點(diǎn)在于多學(xué)科性能、多種功能基于各自分離的系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)，不僅設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、難以協(xié)調(diào)，而且忽視了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自身的多功能特性，造成設(shè)計(jì)冗余、結(jié)構(gòu)增重等問(wèn)題。

因此，在結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型上實(shí)現(xiàn)多功能集成和多學(xué)科性能設(shè)計(jì)的一體化、并行化是解決上述難題的關(guān)鍵。目前可行思路主要包括兩個(gè)方面：一是將多種功能體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中各功能特征上，這些功能特征與承載結(jié)構(gòu)整體構(gòu)造，功能上相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)承載結(jié)構(gòu)構(gòu)型與功能特征布局的混合設(shè)計(jì)問(wèn)題實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載和多功能的一體化設(shè)計(jì)，不僅綜合考慮了結(jié)構(gòu)與特征二者的承載性能，實(shí)現(xiàn)了承載環(huán)節(jié)的整體化和輕量化，還通過(guò)功能特征的布局設(shè)計(jì)極大地拓展了多功能設(shè)計(jì)的自由度；而且，承載結(jié)構(gòu)構(gòu)型與功能特征布局的混合設(shè)計(jì)從本質(zhì)上并未提高優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題本身的求解難度，可從算法機(jī)理研究出發(fā)對(duì)混合參數(shù)問(wèn)題進(jìn)行合理分解，在保證設(shè)計(jì)方案質(zhì)量的前提下，降低優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的耦合程度和收斂難度。二是可通過(guò)結(jié)構(gòu)不同尺度、不同材料相的混雜設(shè)計(jì)直接實(shí)現(xiàn)承載結(jié)構(gòu)本身的功能和多學(xué)科性能特性設(shè)計(jì)，此時(shí)，結(jié)構(gòu)功能和性能不再通過(guò)特定的功能特征而分離，而是一種真正意義上的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)?；祀s設(shè)計(jì)的核心結(jié)構(gòu)尺度較小，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為整體化和輕量化，可從空間和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)層面實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的革新。

再次，實(shí)現(xiàn)跨尺度構(gòu)型的整體成形是增材制造的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在構(gòu)型跨尺度設(shè)計(jì)層面，其核心是宏微兩個(gè)尺度甚至多個(gè)尺度上結(jié)構(gòu)構(gòu)型的一體化與匹配設(shè)計(jì)（圖3）?？绯叨仍O(shè)計(jì)從微觀(guān)上拓展了傳統(tǒng)宏觀(guān)均質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間，從更多尺度上進(jìn)一步挖掘材料與結(jié)構(gòu)的性能潛力，并且微結(jié)構(gòu)在宏觀(guān)尺度上的功能梯度特征可以方便實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多功能和多種性能的綜合設(shè)計(jì)，使材料-結(jié)構(gòu)-性能的一體化設(shè)計(jì)成為可能。目前需要解決的主要難題包括跨尺度構(gòu)型的性能表征高效模型、微結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的尺度效應(yīng)以及跨尺度協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效優(yōu)化算法等。

早期對(duì)于微結(jié)構(gòu)和跨尺度結(jié)構(gòu)的性能表征常采用均勻化方法，將微結(jié)構(gòu)等效為具有均勻性能的均質(zhì)材料進(jìn)行性能分析。由于其周期性無(wú)窮小體胞假設(shè)，無(wú)法從本質(zhì)上體現(xiàn)微結(jié)構(gòu)尺度效應(yīng)。因此，發(fā)展關(guān)聯(lián)構(gòu)型尺度效應(yīng)的高效等效性能分析模型是實(shí)現(xiàn)跨尺度一體化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前，通過(guò)引入微結(jié)構(gòu)性能表征的等效能量模型和帶有微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的超單元模型，可有效反映微結(jié)構(gòu)剛度的尺度效應(yīng)漸進(jìn)影響規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)與宏觀(guān)結(jié)構(gòu)跨尺度構(gòu)型的非比例縮放，從結(jié)構(gòu)承載層面實(shí)現(xiàn)了宏微觀(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的統(tǒng)一（圖4）。此外，使用微結(jié)構(gòu)超單元模型將跨尺度性能分析等效分解為自由度縮聚模型分析和超單元內(nèi)部自由度展開(kāi)兩個(gè)環(huán)節(jié)，將跨尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)等效分解為超單元宏觀(guān)材料布局優(yōu)化和超單元內(nèi)部構(gòu)型優(yōu)化兩個(gè)環(huán)節(jié)，不僅直接實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)構(gòu)型的功能梯度化，也極大地降低了計(jì)算規(guī)模和優(yōu)化設(shè)計(jì)難度。后續(xù)研究工作有必要將該方法思路向多學(xué)科性能和多功能拓展。

圖2 承載、散熱、流動(dòng)多功能與性能一體化設(shè)計(jì)與增材制造Fig.2 Integrated load carrying, heat dissipation and flow channel design and additive manufacturing

圖3 基于增材制造的跨尺度構(gòu)型的整體成形Fig.3 Additive manufactured cross-scale structure

圖4 尺度效應(yīng)對(duì)跨尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的漸進(jìn)影響規(guī)律Fig.4 Influence of scale effect on cross-scale structure configuration design

圖5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮增材制造懸空角約束可以實(shí)現(xiàn)零件無(wú)工藝支撐一次成型Fig.5 Structural design with manufacturing constraints on overhang angles can achieve the parts without processing supports

最后，為保證結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的增材制造工藝性和設(shè)計(jì)性能的精確實(shí)現(xiàn)，需要在增材制造工藝約束及其影響機(jī)理方面開(kāi)展研究工作，著重考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題：增材制造工藝對(duì)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的提升作用及其制造缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律，增材制造工藝的材料堆積新方式對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)引入的新約束。

由于增材制造技術(shù)極大地提升了材料堆積的自由度，消除了大量制造工藝約束，因此將傳統(tǒng)基于“工藝優(yōu)先”的設(shè)計(jì)模式向“性能優(yōu)先”的設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變。此外，增材制造同時(shí)也引入了材料懸空角度、連通性、臺(tái)階效應(yīng)等新的工藝約束，這又對(duì)未來(lái)結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)（圖5[14]）。一方面，需要通過(guò)對(duì)工藝約束上下限設(shè)置不同變化范圍以描述其作用的強(qiáng)弱程度，闡明“性能優(yōu)先”和“工藝優(yōu)先”不同原則下的設(shè)計(jì)效果，由此確定增材制造工藝約束的敏感范圍和臨界閾值大小，揭示面向增材制造工藝的相應(yīng)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果及其力學(xué)性能的變化規(guī)律。通過(guò)研究工藝基準(zhǔn)面、材料堆積方向，獲得構(gòu)型優(yōu)化結(jié)果和性能變化規(guī)律，分析歸納增材制造工藝約束基本使用原則。另一方面，增材制造工藝約束的合理建模是保障優(yōu)化設(shè)計(jì)順利實(shí)施的基礎(chǔ)，前期已有部分工作研究了基于懸空角約束獲得帶有“自支撐”效果的結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型，或者借鑒熱傳導(dǎo)路徑設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)材料連通性約束。這些工作為增材制造工藝約束的定義奠定了基礎(chǔ)，但在未來(lái)研究工作中和實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍然需要綜合考慮基準(zhǔn)面及材料堆積方向、工藝支撐的可去除性、大平面特征的表面粗糙度等問(wèn)題。此外，結(jié)合傳統(tǒng)制造和增材制造的組合制造、多軸增材制造等新型工藝技術(shù)的快速發(fā)展正在進(jìn)一步解除復(fù)雜構(gòu)型的制造工藝約束并有望進(jìn)一步釋放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)潛力，結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)仍然需要面向新工藝方式同步發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)完全意義上的“性能優(yōu)先”設(shè)計(jì)。

結(jié)束語(yǔ)

增材制造是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜整體構(gòu)型的最佳工藝手段，結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)是發(fā)揮增材制造工藝優(yōu)勢(shì)的最佳設(shè)計(jì)形式，因此，增材制造技術(shù)與結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)的融合是未來(lái)先進(jìn)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的重要研究方向和必然趨勢(shì)。

本文從多個(gè)方面分析了開(kāi)展面向增材制造的結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)研究工作需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，包括結(jié)構(gòu)不同承載環(huán)節(jié)的整體建模問(wèn)題、多功能與多學(xué)科性能的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題、跨尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)型的性能表征和優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題、增材制造工藝約束問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決將為增材制造技術(shù)與結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)深度融合、發(fā)展新的結(jié)構(gòu)件研制模式奠定基礎(chǔ)，將在我國(guó)航空航天等高端裝備研制領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

致謝

本文涉及的增材制造和飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作得到了西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)、航天科工三院三部多位研究人員的指導(dǎo)和支持，在此一并表示感謝。

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