吳 斌,王向明,玄明昊,王福雨

（1.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院, 北京 100084；2.沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 結(jié)構(gòu)部, 沈陽(yáng) 110001）

機(jī)體結(jié)構(gòu)是戰(zhàn)斗機(jī)的載體平臺(tái)，通常由數(shù)萬(wàn)個(gè)零件組成，設(shè)計(jì)和制造要求高，其品質(zhì)直接影響戰(zhàn)機(jī)的飛行安全和作戰(zhàn)任務(wù)完成能力，也可以說(shuō)機(jī)體結(jié)構(gòu)是先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的“根”。歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，噴氣式戰(zhàn)機(jī)已達(dá)第四代，機(jī)體結(jié)構(gòu)正在由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造向先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)方向發(fā)展。目前戰(zhàn)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)瓶頸，主要體現(xiàn)在超重、開(kāi)裂等問(wèn)題上，難以滿(mǎn)足新一代飛機(jī)的研制要求，制約新型戰(zhàn)機(jī)發(fā)展，各國(guó)都在尋找解決瓶頸問(wèn)題的技術(shù)方案。近年發(fā)展起來(lái)的增材制造技術(shù)具有可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)、定制化制造、周期短等優(yōu)勢(shì)，已具備制造戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用潛力，為突破機(jī)體結(jié)構(gòu)平臺(tái)瓶頸提供了技術(shù)可能。

1 戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有瓶頸與發(fā)展需求

1.1 戰(zhàn)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷

在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有一個(gè)基本共識(shí)——“一代飛機(jī)、一代技術(shù)”。每一代戰(zhàn)機(jī)，在其研制要求牽引下，對(duì)該時(shí)期相關(guān)技術(shù)的最高水平進(jìn)行綜合應(yīng)用，包括設(shè)計(jì)、材料、制造、實(shí)驗(yàn)、使用維護(hù)等方面，該代飛機(jī)的技術(shù)特征與當(dāng)時(shí)的飛機(jī)研制需求息息相關(guān)。而每一代跨代戰(zhàn)機(jī)的出現(xiàn)，其研制需求都會(huì)大幅度提高，因此也會(huì)牽引著相關(guān)技術(shù)出現(xiàn)跨越式發(fā)展。從1940年第一代噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)問(wèn)世以來(lái)，至今已發(fā)展出四代戰(zhàn)斗機(jī)，各代戰(zhàn)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、材料、制造技術(shù)差異顯著[1]。

第一代戰(zhàn)機(jī)是亞音速飛機(jī)，結(jié)構(gòu)類(lèi)型多以半硬殼式結(jié)構(gòu)為主，材料主要是鋁合金和合金鋼，代表機(jī)型有佩刀“F-86”（美國(guó)，1945年設(shè)計(jì)，1947年首飛，1949年裝備部隊(duì)）。第二代戰(zhàn)機(jī)強(qiáng)調(diào)高空高速性能，開(kāi)始出現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)和整體金屬壁板等結(jié)構(gòu)類(lèi)型，材料仍然以鋁合金和合金鋼為主體，制造工藝多用鉚接進(jìn)行裝配，代表機(jī)型有幻影“Mirage F1”（法國(guó)，1964年設(shè)計(jì)，1966年首飛，1973年裝備部隊(duì)）。第三代戰(zhàn)機(jī)的設(shè)計(jì)特征是高空、高速、高機(jī)動(dòng)性，結(jié)構(gòu)類(lèi)型有鋁合金整體壁板、復(fù)材整體壁板、金屬或復(fù)材蜂窩結(jié)構(gòu)、超塑/擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)等，鋁合金和鋼比例下降，鈦合金與復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用。代表機(jī)型側(cè)衛(wèi)“Su-27”（蘇聯(lián)，1969年設(shè)計(jì)，1980年首飛，現(xiàn)仍服役）。第四代戰(zhàn)機(jī)特征是高隱身、超機(jī)動(dòng)、超音速巡航，結(jié)構(gòu)類(lèi)型基本沒(méi)有變化，復(fù)合材料、鈦合金、鋁鋰合金等比強(qiáng)度、比剛度高的輕質(zhì)材料廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)鋁合金和合金鋼用量明顯降低[2-4]。代表機(jī)型猛禽“F-22”（美國(guó)，1986年設(shè)計(jì)，1990年首飛，2002年交付，2004年形成戰(zhàn)斗力）。

1.2 戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)研制技術(shù)瓶頸

傳統(tǒng)戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的制造和裝配技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)，主要采用車(chē)、銑、磨等減材方式和鑄造等等材方式進(jìn)行制造，裝配采用剛性工裝和模具，通過(guò)螺接、鉚接將結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合在一起，戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)制造技術(shù)工藝過(guò)程如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)制造技術(shù)Fig. 1 Traditional manufacturing technology of fighter structure

由于受到傳統(tǒng)制造技術(shù)的制約，傳統(tǒng)機(jī)體結(jié)構(gòu)已形成固化的經(jīng)典構(gòu)型。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心特征就是“離散”：第一，戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)采用橫平豎直的布局方式，傳遞載荷路徑不直接，造成質(zhì)量冗余；第二，戰(zhàn)機(jī)部件采用機(jī)械連接對(duì)合方式，全機(jī)存在幾十處、甚至上百處集中接頭，不可避免出現(xiàn)應(yīng)力集中、連接區(qū)超重的現(xiàn)象；第三，機(jī)體結(jié)構(gòu)采用大量機(jī)械連接進(jìn)行裝配，一架飛機(jī)有幾十萬(wàn)個(gè)連接件和孔，存在大量的疲勞薄弱環(huán)節(jié)，易開(kāi)裂；第四，因?yàn)殡x散裝配的原因，全機(jī)具有幾千條縫隙，機(jī)體表面具有非常多的階差和溝槽，產(chǎn)生大量次級(jí)散射源，隱身能力難以進(jìn)一步提升；第五，結(jié)構(gòu)零件構(gòu)型簡(jiǎn)單、材料單一，為適應(yīng)機(jī)加工藝形成板桿構(gòu)型，材料功能單一，每個(gè)結(jié)構(gòu)件均由單一材料組成，應(yīng)力水平的不均勻，造成材料性能的浪費(fèi)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是由于“離散”的特征，因此產(chǎn)生固有問(wèn)題——質(zhì)量大、易開(kāi)裂、隱身差、占有空間大、結(jié)構(gòu)效率低[5]。美國(guó)的四代機(jī)同樣也具有上述問(wèn)題，如F-35系列飛機(jī)超重達(dá)到640～900 kg，F(xiàn)-22戰(zhàn)機(jī)開(kāi)裂問(wèn)題明顯，美軍方投入3.5億美元進(jìn)行抗疲勞改進(jìn)。發(fā)展至四代機(jī)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得戰(zhàn)機(jī)出現(xiàn)“設(shè)計(jì)極限”——結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)28%、使用壽命 8000飛行小時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)已遇到瓶頸。

1.3 新一代戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)需求

第五代戰(zhàn)機(jī)、制空無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)等新一代戰(zhàn)機(jī)向高隱身、高生存力、強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知、熱環(huán)境方向發(fā)展，整體趨勢(shì)是外形更薄、受載更大、使用更嚴(yán)酷、環(huán)境更復(fù)雜、隱身要求更高，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)提出了跨越式提升的苛刻要求。新一代戰(zhàn)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)需具有輕質(zhì)高效、長(zhǎng)壽命、多功能、低成本、快速響應(yīng)的特征[6]，而基于傳統(tǒng)制造技術(shù)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿(mǎn)足上述要求，新一代戰(zhàn)機(jī)效果圖如圖2所示。

圖2 新一代戰(zhàn)機(jī)效果圖Fig. 2 Effect picture of new generation fighter

2 基于增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)源于傳統(tǒng)的制造方式，與傳統(tǒng)制造方式相契合，現(xiàn)在則受到其束縛制約。下一代戰(zhàn)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新突破的關(guān)鍵，就在于充分發(fā)揮新的先進(jìn)制造技術(shù)的特征優(yōu)勢(shì)，基于以增材制造技術(shù)為典型的先進(jìn)制造技術(shù)創(chuàng)造出不同于傳統(tǒng)構(gòu)型的全新結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

2.1 增材制造技術(shù)

增材制造又稱(chēng)3D打印，在高性能金屬構(gòu)件制造方面，是以合金粉末或絲材為原料，通過(guò)高能量熱源（激光、電子束、電弧等）冶金熔化并快速凝固的方式進(jìn)行逐層堆積的制造技術(shù)[7]。不同于傳統(tǒng)減材和等材的制造方式，增材制造依托數(shù)字化模型以生長(zhǎng)的方式進(jìn)行成形制造，具有可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、無(wú)需模具、材料利用率高、可根據(jù)需求快速定制制造等特征，常見(jiàn)的增材制造方式見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)的增材制造方式Table 1 Common types of additive manufacturing

增材制造以熱源、材料、成形方式不同，可分為立體光固化（vat photo polymerization，VP）、材料噴射（material jetting，MJ）、黏結(jié)劑噴射（binder jetting，BJ ）、粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）、材料擠 出（material extrusion，ME）、定向能量沉積（directed energy deposition，DED）、薄材疊層（sheet lamination，SL）等類(lèi)型。金屬零件的增材制造技術(shù)主要有粉末床熔融、定向能量沉積、黏結(jié)劑噴射三類(lèi)。其中粉末床熔融主要有激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）和電子束熔化（electron beam melting，EBM）兩種工藝，定向能量沉積主要有激光近凈成形（laser engineered net shaping，LENS）、電子束熔絲成形（electron beam forming，EBF）、電弧熔絲成形(arc fuse forming，AFF )等工藝類(lèi)型，黏結(jié)劑噴射主要有金屬微滴噴射技術(shù)。

基于增材制造技術(shù)，可將設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行高度融合，構(gòu)造出全新的結(jié)構(gòu)形式，使其具有輕量化、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)勢(shì)[8]。相對(duì)于傳統(tǒng)制造方式，增材制造可規(guī)避如板材厚度、棒材規(guī)格等限制，以及生產(chǎn)裝配復(fù)雜模具工裝、長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)加周期、固化難等諸多制約，可適應(yīng)快速更改迭代的工藝設(shè)計(jì)與巨大的生產(chǎn)投入。

增材制造可以根據(jù)設(shè)計(jì)的更改快速更改工藝模型，實(shí)施制件生產(chǎn)，可以用粉末或絲材生產(chǎn)不同尺寸的制件而不受原材料尺寸規(guī)格限制，可以近凈成形以大幅度減少機(jī)加工作量，可以自由生產(chǎn)小批量、幾件甚至單件的制件以減少生產(chǎn)投入和周期，圖3為增材制造生產(chǎn)的典型結(jié)構(gòu)實(shí)例。相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，增材制造主要的優(yōu)勢(shì)在于可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜、不規(guī)則的制件，甚至可以制造傳統(tǒng)機(jī)加無(wú)法加工的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。增材制造的這個(gè)優(yōu)勢(shì)可以制造之前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，為突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型束縛，創(chuàng)造全新結(jié)構(gòu)構(gòu)型提供制造技術(shù)手段[9]。

圖3 增材制造生產(chǎn)的新結(jié)構(gòu)件 （a） 搖臂；（b） 防火墻；（c） 前緣Fig. 3 New structural parts produced by additive manufacturing （a） swinging arm；（b） fire wall；（c） leading edge

2.2 基于增材制造技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)

相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的離散、板桿構(gòu)型、材料與承載功能單一等特征，新一代戰(zhàn)機(jī)的新型結(jié)構(gòu)特征可歸結(jié)為“四化”——大型整體化、構(gòu)型拓?fù)浠?、梯度?fù)合化、結(jié)構(gòu)功能一體化。圍繞“四化”方向，可構(gòu)建全新結(jié)構(gòu)形式，如三維承載整體結(jié)構(gòu)、仿生構(gòu)型結(jié)構(gòu)、梯度金屬結(jié)構(gòu)以及微桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等。

三維承載整體結(jié)構(gòu)是將若干各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)件整合成整體，通過(guò)增材制造一次性成形，把傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的二維承載改變?yōu)槿S承載方式。該類(lèi)結(jié)構(gòu)可大量消除原有的工藝分離面，有效減少結(jié)構(gòu)傳載“分散-集中-分散”情況，優(yōu)化載荷傳遞，減少結(jié)構(gòu)冗余部分，實(shí)現(xiàn)減重。同時(shí)該類(lèi)結(jié)構(gòu)減緩了傳統(tǒng)機(jī)加結(jié)構(gòu)生產(chǎn)帶來(lái)的應(yīng)力集中，消除了大量的疲勞薄弱環(huán)節(jié)，增加結(jié)構(gòu)壽命。此外，三維承載整體結(jié)構(gòu)取消傳統(tǒng)多件平面二維結(jié)構(gòu)機(jī)械連接裝配的大量緊固件，取消了大量連接孔，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的減重和增壽也有極大增益，典型三維承載整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 “肋/梁/接頭”三維承載整體結(jié)構(gòu)Fig. 4 “Rib/beam/joint” three-dimensional load bearing integral structure

仿生構(gòu)型結(jié)構(gòu)是按照載荷分布將材料集中在最有效的拓?fù)渎窂缴?，?shí)現(xiàn)滿(mǎn)足承載和剛度要求下結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小，是一種輕量化的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。該類(lèi)結(jié)構(gòu)在自然界中隨處可見(jiàn)，如樹(shù)葉的葉脈、蜻蜓的翅膀。典型部位采用該類(lèi)結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)制造的板桿構(gòu)型結(jié)構(gòu)可減重20%以上。該類(lèi)結(jié)構(gòu)傳載更均勻、更優(yōu)化，質(zhì)量減輕的同時(shí)，還可以有效降低應(yīng)力集中，促進(jìn)壽命增益，典型仿生構(gòu)型結(jié)構(gòu)如圖5所示。3D打印是實(shí)現(xiàn)該類(lèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有效制造手段。

圖5 艙門(mén)搖臂結(jié)構(gòu)對(duì)比 （a） 傳統(tǒng)構(gòu)型；（b） 仿生構(gòu)型結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structural comparison of rocker arm of cabin door （a） traditional configuration；（b） bionic configuration

梯度金屬結(jié)構(gòu)是將不同金屬材料按需分區(qū)布置并熔合成一體的新型結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能呈梯度變化。金屬結(jié)構(gòu)的材料布局具有可設(shè)計(jì)性。該類(lèi)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)減重、提高疲勞壽命、降低成本，在實(shí)現(xiàn)承載功能的同時(shí)，還可以根據(jù)需求使結(jié)構(gòu)部分區(qū)域具有耐熱、抗蝕、耐磨等功能，典型梯度金屬結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 梯度金屬翼肋結(jié)構(gòu)Fig. 6 Gradient metal wing rib structure

微桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是指將結(jié)構(gòu)內(nèi)部或表面由微觀(guān)結(jié)構(gòu)單元陣列累積構(gòu)成，并在內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)中融合系統(tǒng)通路以實(shí)現(xiàn)各種功能。該類(lèi)結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足承載能力需求的同時(shí)可大幅度減輕質(zhì)量，此外還可以實(shí)現(xiàn)隱身、變體、耐熱、自潔、減振、降噪、防爆、抗沖擊、健康監(jiān)控等多種功能，典型微桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 增材制造微桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig. 7 Additive manufacturing micro truss lattice structure

3 新結(jié)構(gòu)關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題

對(duì)基于增材制造的新型結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注兩方面技術(shù)問(wèn)題。一是新結(jié)構(gòu)的可制造性，主要關(guān)注其制造可實(shí)現(xiàn)性、生產(chǎn)效率、尺寸規(guī)格，以及生產(chǎn)周期、成本和配套工藝等。二是關(guān)注新結(jié)構(gòu)是否發(fā)揮了增材制造技術(shù)的特征與優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)是否達(dá)到最優(yōu)。也就是說(shuō)，基于先進(jìn)制造的新結(jié)構(gòu)研制一定要將設(shè)計(jì)和制造統(tǒng)一考慮，相互迭代，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)效率。

在三維承載整體結(jié)構(gòu)方面，可制造性重點(diǎn)關(guān)注激光沉積同軸送粉技術(shù)[10]、電子束真空熔絲成形[11]、電弧低成本熔絲成形[12-14]、多種增材工藝復(fù)合制造成形，以及增材制造與傳統(tǒng)變形材料機(jī)加結(jié)合制造的相關(guān)工藝。設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注整體結(jié)構(gòu)的三維成形連接區(qū)的失效模式和許用值、三維承載整體結(jié)構(gòu)在交變載荷下三維裂紋擴(kuò)展的行為規(guī)律、采用多種增材工藝復(fù)合制造整體結(jié)構(gòu)界面區(qū)的力學(xué)特性，以及綜合成形工藝特征和疲勞特性的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法等。

在仿生構(gòu)型結(jié)構(gòu)方面，可制造性重點(diǎn)關(guān)注超大規(guī)格激光選區(qū)熔化成形、增材鋪粉成形與成形連接復(fù)合制造、冷壓燒結(jié)成形等制造技術(shù)。設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注拓?fù)錁?gòu)型的損傷容限特征與許用值定義方法、復(fù)雜載荷工況下傳力路徑特征、仿生構(gòu)型結(jié)構(gòu)輕量化便捷仿真模型、基于增材制造工藝約束面向不同性能/功能需求的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[15]，以及仿生構(gòu)型結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程失效監(jiān)控技術(shù)等。

在梯度金屬結(jié)構(gòu)方面，可制造性重點(diǎn)關(guān)注激光直接沉積送粉成形、異種材料成形、爆炸成形、攪拌摩擦焊、異種材料熱處理等制造技術(shù)。設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注梯度多材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和表征方法、梯度金屬結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)的行為響應(yīng)規(guī)律、異種材料結(jié)合結(jié)構(gòu)界面的失效判據(jù)與許用值、含性能梯度特征的多材料結(jié)構(gòu)宏細(xì)觀(guān)仿真建模方法、多種梯度材料結(jié)構(gòu)布局分布與結(jié)構(gòu)特征的協(xié)同綜合優(yōu)化、梯度金屬結(jié)構(gòu)的適用范圍與設(shè)計(jì)指南等。根據(jù)前期的研究成果可知，基于激光沉積成形的異種鈦合金復(fù)合結(jié)構(gòu)，其界面過(guò)渡區(qū)寬度在0.4～0.6 mm；過(guò)渡區(qū)靜力性能介于兩種基材之間，疲勞性能也介于兩種基材之間；過(guò)渡區(qū)斷裂韌度梯度變化，具有線(xiàn)性、連續(xù)過(guò)渡特征，過(guò)渡區(qū)裂紋擴(kuò)展速率規(guī)律與單一材料近似，可由Paris公式描述[16-17]。

在微桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)方面，可制造性重點(diǎn)關(guān)注激光選區(qū)熔化成形、電子束選區(qū)熔化成形、增材鋪粉成形與成形連接復(fù)合制造、結(jié)構(gòu)表面微納加工等制造技術(shù)。設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注基于增材制造工藝屬性約束微觀(guān)結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)型設(shè)計(jì)、微桁架結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能與表征方法、微桁架節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)性能影響規(guī)律，微桁架結(jié)構(gòu)失效機(jī)理/判據(jù)與設(shè)計(jì)許用值、微桁架結(jié)構(gòu)的跨尺度仿真模型與分析方法、宏細(xì)觀(guān)多功能結(jié)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)等。在前期的研究工作中可以看出，微桁架單元組成的多功能融合結(jié)構(gòu)其承載特性與單胞構(gòu)型、相對(duì)密度、載荷形式等相關(guān)。微桁架桿徑的尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響很大，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知桿直徑從0.5 mm增加至0.6 mm，相對(duì)密度從6.25%提高至8.9%，抗壓強(qiáng)度則可提高4.6倍。

4 增材制造新型結(jié)構(gòu)實(shí)例

針對(duì)戰(zhàn)機(jī)上的三個(gè)典型實(shí)例，基于增材制造技術(shù)，設(shè)計(jì)制造一體化開(kāi)發(fā)相應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)，并通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)方案，分析新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與收益。其中燃油管接頭是小尺寸具有結(jié)構(gòu)特征的功能件，環(huán)形散熱器為中等規(guī)格的結(jié)構(gòu)功能一體件，框梁結(jié)構(gòu)代表大型主承力結(jié)構(gòu)件。

4.1 燃油管接頭

燃油管接頭是戰(zhàn)機(jī)連接燃油系統(tǒng)管路的通路接頭，有四個(gè)接口，尺寸為210 mm×110 mm×85 mm，鋁合金材質(zhì)，傳統(tǒng)方案如圖8所示，為左右鍛件機(jī)加制成的法蘭盤(pán)和中間的鑄造四通短管焊接制造，質(zhì)量為0.35 kg。原產(chǎn)品氣孔夾雜嚴(yán)重，性能差、強(qiáng)度低、壽命短，成品率不足10%。

圖8 燃油管接頭原設(shè)計(jì)和制造方案Fig. 8 Original design and manufacturing scheme of fuel pipe joint

為解決原方案問(wèn)題，基于三維承載整體化的結(jié)構(gòu)理念，提出用增材技術(shù)整體一次成型的制造方案，并根據(jù)增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)/制造一體化的全新設(shè)計(jì)與優(yōu)化，目的是在滿(mǎn)足使用要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最大幅度的減重。經(jīng)過(guò)8輪設(shè)計(jì)與工藝的迭代優(yōu)化，形成最終結(jié)構(gòu)與主體工藝方案。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)各部分的構(gòu)型、各部位的局部形狀、每一處典型尺寸及其過(guò)渡區(qū)的設(shè)置，工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容包括單爐擺放件數(shù)、擺放角度、支撐結(jié)構(gòu)等與結(jié)構(gòu)構(gòu)型和尺寸相關(guān)的主要工藝方案內(nèi)容。

在確定結(jié)構(gòu)方案和主體工藝方案的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化與試制迭代，主要包括針對(duì)成形組織、性能、變形等方面對(duì)主體結(jié)構(gòu)成形工藝參數(shù)的調(diào)整，以及針對(duì)制件表面粗糙度、表面質(zhì)量與表面處理方式（硫酸陽(yáng)極化、化學(xué)氧化、噴漆）等方面對(duì)結(jié)構(gòu)表面成形工藝參數(shù)的調(diào)整，形成最優(yōu)的工藝參數(shù)+后處理加工+表面處理+無(wú)損檢測(cè)的制造方案。最終制件未見(jiàn)缺陷，晶粒尺寸較均勻，性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與使用要求。

燃油管接頭經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)/制造一體化全新研制后的增材制造方案，成品率、強(qiáng)度、壽命大幅度提升，零件數(shù)量、質(zhì)量、生產(chǎn)周期則大幅度減少，有效解決了產(chǎn)品傳統(tǒng)技術(shù)問(wèn)題，全面提升了性能品質(zhì)，燃油管接頭最終產(chǎn)品如圖9所示，與傳統(tǒng)方案相比增材制造方案收益結(jié)果見(jiàn)表2。

圖9 增材制造燃油管接頭最終產(chǎn)品Fig. 9 Final product of fuel pipe joint by additive manufacturing

表2 燃油管接頭傳統(tǒng)方案與增材方案對(duì)比Table 2 Comparison of original scheme and additive scheme of fuel pipe joint

4.2 環(huán)形散熱器

環(huán)形散熱器是戰(zhàn)機(jī)重要系統(tǒng)功能件，是連接進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換段，利用環(huán)內(nèi)空氣對(duì)飛機(jī)的系統(tǒng)冷卻液進(jìn)行降溫處理，以此保障飛機(jī)重要功能成品的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。環(huán)形散熱器尺寸為?800 mm×330 mm，傳統(tǒng)方案是由200余件薄鋼件通過(guò)“焊+釬焊/氬弧焊組合焊接”制成，如圖10所示，焊縫非常多，導(dǎo)致其開(kāi)裂頻發(fā)，交叉焊縫和搭接處經(jīng)常出現(xiàn)缺陷，成品合格率不足50%。此外，傳統(tǒng)方案還有質(zhì)量大、強(qiáng)度低、功能單一等問(wèn)題。

圖10 環(huán)形散熱器傳統(tǒng)方案與滾焊制造過(guò)程Fig. 10 Original scheme and roll welding manufacturing process of ring radiator

基于三維整體化和多功能融合的理念，提出“分區(qū)模塊化、單模塊增材整體成型、模塊間螺接密封”的方案。并基于增材制造特征開(kāi)展全新設(shè)計(jì)，新型增材制造環(huán)型散熱器結(jié)構(gòu)方案如圖11所示，目標(biāo)是提升換熱效率，并大幅度減輕產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)構(gòu)建內(nèi)部梯度分布流道，流道壁按需設(shè)置導(dǎo)流孔，實(shí)現(xiàn)散熱器內(nèi)部的紊流換熱，以此突破傳統(tǒng)方案平流換熱效率低的瓶頸，內(nèi)流道結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如圖12所示。在結(jié)構(gòu)典型部位與細(xì)節(jié)上充分考慮增材可制造性，如壁面與筋條設(shè)計(jì)成45°構(gòu)型以減少支撐；綜合承載、變形控制與成形性，合理分布自支撐結(jié)構(gòu)元件和內(nèi)部開(kāi)孔的形狀-尺寸-間距等；同時(shí)設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清粉和內(nèi)表面粗糙度處理通路。經(jīng)過(guò)多輪結(jié)構(gòu)與工藝的協(xié)同優(yōu)化，獲得具有良好可制造性的結(jié)構(gòu)構(gòu)型與尺寸參數(shù)，并優(yōu)選出滿(mǎn)足薄壁/多孔等典型特征、最優(yōu)表面質(zhì)量、最佳力學(xué)性能等需求的打印工藝方案，充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化的特征。研制后的增材制造產(chǎn)品解決了強(qiáng)度、壽命、成品率、質(zhì)量和生產(chǎn)周期等方面的問(wèn)題，大幅度提升了環(huán)形散熱器的工重比，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的升級(jí)換代。

圖11 新型增材制造環(huán)形散熱器方案Fig. 11 Scheme of ring radiator by new-type additive manufacturing

圖12 基于增材制造的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)Fig. 12 Structural detail design based on additive manufacturing

針對(duì)環(huán)形散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜曲面、大面積多層薄壁、0.8 mm內(nèi)部長(zhǎng)細(xì)板件、內(nèi)部陣列免支撐開(kāi)孔等特征，開(kāi)展多輪增材制造工藝方案與參數(shù)調(diào)試，通過(guò)內(nèi)填充、外表皮功率、掃描速度等工藝參數(shù)，以及支撐、分區(qū)策略等成形方案的調(diào)整優(yōu)化，得到最佳增材制造方案，環(huán)形散熱器增材制造工藝模型和優(yōu)化迭代過(guò)程產(chǎn)品如圖13所示。并利用內(nèi)表面精整技術(shù)和專(zhuān)用熱校形技術(shù)提高了環(huán)散內(nèi)流道粗糙度和整體成形精度。最終環(huán)形散熱器尺寸公差控制在±0.8 mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與使用要求。

圖13 環(huán)形散熱器典型件工藝參數(shù)優(yōu)化Fig. 13 Optimization of process parameters for typical parts of ring radiator

全新研制的環(huán)形散熱器，完成氣密、耐壓、振動(dòng)、循環(huán)加載壽命等考核，滿(mǎn)足研制要求。增材制造新型環(huán)形散熱器成品率達(dá)到90%以上，質(zhì)量減少23.7%，換熱效率提升47.8%，有效解決了產(chǎn)品傳統(tǒng)瓶頸問(wèn)題，全面提升了產(chǎn)品性能品質(zhì)。與傳統(tǒng)方案相比增材制造方案收益結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 環(huán)形散熱器原方案與增材方案對(duì)比Table 3 Comparison of original scheme and additive scheme for ring radiator

4.3 三維框梁整體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)戰(zhàn)機(jī)主承力結(jié)構(gòu)由框、梁、隔板等組成，通常利用角盒、角材等過(guò)渡件采用套合、對(duì)接等方式進(jìn)行機(jī)械連接裝配，連接區(qū)與過(guò)渡區(qū)有大量的連接孔和緊固件，存在應(yīng)力集中和疲勞薄弱部位多等現(xiàn)象。如圖14、圖15所示，以飛機(jī)后機(jī)身部分鈦合金主承力結(jié)構(gòu)為例，由1個(gè)機(jī)身框、2根垂尾梁、4根縱向梁通過(guò)24個(gè)角盒，264個(gè)緊固件裝配而成，質(zhì)量達(dá)到155 kg。根部連接區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，連接區(qū)連接孔受載大，單側(cè)產(chǎn)生44處疲勞薄弱部位。

圖14 戰(zhàn)機(jī)主承力結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)方案Fig. 14 Traditional scheme of fighter main bearing structure

圖15 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案連接方式 （a）耳片連接；（b）角盒連接Fig. 15 Connection mode of traditional structural scheme （a） ear piece connection; （b） corner box connection

美國(guó)F-22飛機(jī)中尺寸最大的鈦合金整體加強(qiáng)框零件質(zhì)量不足144 kg，其毛坯模鍛件卻重達(dá)2796 kg，材料利用率不到4.9%，數(shù)控加工周期長(zhǎng)達(dá)半年以上。對(duì)新機(jī)研制來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)鈦合金主承力結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)的性能、周期、成本無(wú)法滿(mǎn)足要求。

采用激光同軸送粉成形與增材連接技術(shù)，將機(jī)身框、垂尾梁、縱向梁融合為一體，構(gòu)建三維承載框梁整體結(jié)構(gòu)如圖16(a)所示。用連續(xù)結(jié)構(gòu)代替連接件，取消連接孔，減少疲勞薄弱部位；優(yōu)化連接區(qū)、過(guò)渡區(qū)局部構(gòu)型與尺寸參數(shù)，降低應(yīng)力集中；一體化結(jié)構(gòu)整體剛度更好，傳載更均勻，進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)尺寸，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

激光同軸送粉工藝的增材制造技術(shù)通過(guò)金屬材料的激光熔融與快速凝固沉積，可直接成形出完整致密、組織細(xì)小、成分均勻、性能優(yōu)異的“近終形”大型復(fù)雜零件。但其零件尺寸過(guò)大，會(huì)造成變形開(kāi)裂?！胺侄坞x散成形＋增材熔合連接”可有效解決該問(wèn)題，將分塊零件增材制造后，分別進(jìn)行熱處理、機(jī)加、無(wú)損檢測(cè)，控制各段零件的殘余應(yīng)力，然后進(jìn)行增材熔合連接，典型三維框梁整體結(jié)構(gòu)增材工藝分段方案如圖16(b)所示。通過(guò)仿真預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力臨界值，為分區(qū)離散提供依據(jù)；一般而言，單體成形零件尺寸不超過(guò)1.5～2 m，構(gòu)型復(fù)雜零件，尺寸一般不超過(guò)1 m。三維整體結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)接口多、裝配關(guān)系復(fù)雜，成形與加工變形精度控制和容差分配是其關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖16 三維框梁整體結(jié)構(gòu) （a） 結(jié)構(gòu)模型； （b） 增材工藝分段方案Fig. 16 Three-dimensional frame beam integral structure （a） structure model; （b） subsection scheme of additive manufacturing

基于上述方法，新概念結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出三維框梁整體結(jié)構(gòu)如圖17所示，尺寸達(dá)到3.7 m×1.8 m×1.9 m，尺寸精度滿(mǎn)足要求，質(zhì)量為120 kg，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案相比減重22.5%，零件數(shù)量減少97%，大幅降低應(yīng)力集中，疲勞薄弱部位消減88處、減少264件緊固件，與傳統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)相比增材制造方案收益結(jié)果見(jiàn)表4。該技術(shù)為滿(mǎn)足新型戰(zhàn)機(jī)主承力結(jié)構(gòu)輕量化、長(zhǎng)壽命的研制要求提供了一條有效技術(shù)途徑。

表4 三維框梁結(jié)構(gòu)原方案與增材方案對(duì)比Table 4 Comparison of original scheme and additive scheme of 3D frame beam integral structure

圖17 “框/縱向梁/垂尾梁”三維框梁整體結(jié)構(gòu)Fig. 17 “Frame/beam/diaphragm” three-dimensional load bearing integral structure

5 跨領(lǐng)域技術(shù)對(duì)戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的促進(jìn)

先進(jìn)制造技術(shù)對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新起到巨大推動(dòng)作用，同樣光纖傳感和建筑工程結(jié)構(gòu)等跨領(lǐng)域的技術(shù)對(duì)軍機(jī)結(jié)構(gòu)也具有積極的促進(jìn)和借鑒意義。

5.1 融合光纖傳感實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知

戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)量巨大，承受載荷大，同時(shí)由于材料缺陷和制造損傷不可避免，以及損傷發(fā)生部位與形式的不確定性，結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多處裂紋，而結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)又無(wú)從感知，不能及時(shí)捕捉到結(jié)構(gòu)損傷情況，無(wú)法預(yù)測(cè)機(jī)體結(jié)構(gòu)的健康狀況，這對(duì)戰(zhàn)機(jī)產(chǎn)生了很大的安全隱患，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀人亡。

把微小的傳感器分布在戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)上，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、位移、頻率等相應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的及時(shí)感知，并通過(guò)捕捉到的信號(hào)對(duì)戰(zhàn)機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以此規(guī)避戰(zhàn)機(jī)的安全問(wèn)題，增長(zhǎng)戰(zhàn)機(jī)使用壽命?，F(xiàn)在常見(jiàn)的健康監(jiān)控技術(shù)主要有壓電傳感器、光纖光柵傳感器、智能涂層等類(lèi)型，其中光纖光柵傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)時(shí)間短、對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響小等優(yōu)勢(shì)，在戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方面的應(yīng)用前景最好[18-20]。如何進(jìn)行傳感器的優(yōu)化布局，在捕捉到足夠的信號(hào)信息、具有足夠的可靠性的同時(shí)，使用盡量少的傳感器，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響最小是其關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)可借鑒5G網(wǎng)絡(luò)基站布局的思路：一體化基站和分布式基站結(jié)合，宏基站、微基站、皮基站、納基站多尺度結(jié)合，小型化、密集化、定制化等理念。戰(zhàn)機(jī)光纖健康監(jiān)控可根據(jù)結(jié)構(gòu)部位關(guān)鍵程度（損傷情況對(duì)飛機(jī)安全的影響大小）以及結(jié)構(gòu)構(gòu)型的復(fù)雜程度，進(jìn)行不同密集程度、不同信號(hào)強(qiáng)度的布置。在關(guān)鍵部位布置密集、復(fù)雜構(gòu)型部位在特征點(diǎn)布置、平面大面積結(jié)構(gòu)承載水平一般的區(qū)域采用疏松式的布置方案等[21-22]。通過(guò)健康監(jiān)控技術(shù)讓機(jī)體結(jié)構(gòu)“活”起來(lái)。

5.2 建筑結(jié)構(gòu)對(duì)戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的啟示

傳統(tǒng)戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)受到制造技術(shù)制約，形成固定的構(gòu)型，具有橫平豎直的板桿類(lèi)特征，這與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型類(lèi)似。隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，創(chuàng)造出多種新型的結(jié)構(gòu)形式，這些新穎建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)型方法和設(shè)計(jì)理念對(duì)戰(zhàn)機(jī)結(jié)構(gòu)也有很大的啟示。

國(guó)家速滑館屋頂呈馬鞍形，尺寸達(dá)到240 m×174 m，采用鋼索網(wǎng)+玻璃板鑲嵌的結(jié)構(gòu)，很好實(shí)現(xiàn)了屋頂結(jié)構(gòu)的藝術(shù)造型、采光、保暖等設(shè)計(jì)要求。該類(lèi)結(jié)構(gòu)具有雙曲率成形、可承受法向載荷、減振性能好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)[23]，在戰(zhàn)機(jī)上可轉(zhuǎn)化成新型柔索類(lèi)壁板，可應(yīng)用在次承力蒙皮結(jié)構(gòu)上，對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)減振、減重具有很好的借鑒意義。

超高層建筑中設(shè)置抗震層，以消除地震對(duì)建筑主體的影響。新型建筑抗震層的墻體采用了拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)型，具有良好的承載和抗震性能[24-26]。在傳統(tǒng)戰(zhàn)機(jī)機(jī)體中，梁類(lèi)和肋類(lèi)結(jié)構(gòu)的腹板多采用平面腹板加立筋的構(gòu)型，剛度大、質(zhì)量大。對(duì)于某些具有減振需求的梁肋類(lèi)結(jié)構(gòu)，可參考建筑將腹板筋條布置成拱形，不僅可以提高減振性能，還可以有效減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

先進(jìn)制造技術(shù)和跨領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形加工與工程應(yīng)用協(xié)同融合，創(chuàng)造出與傳統(tǒng)不同的具有可實(shí)現(xiàn)性的全新結(jié)構(gòu)。特別是基于增材制造開(kāi)發(fā)出的三維承載整體結(jié)構(gòu)、仿生構(gòu)型結(jié)構(gòu)、梯度金屬結(jié)構(gòu)、微桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)高效、長(zhǎng)壽命、多功能、低成本、快速響應(yīng)的特征，可以大幅度提升機(jī)體平臺(tái)品質(zhì)，為研制未來(lái)新型戰(zhàn)機(jī)提供了技術(shù)支撐。增材制造需要關(guān)注的問(wèn)題除了可制造性和發(fā)揮制造優(yōu)勢(shì)外，本身還存在微裂紋、微氣孔造成的性能不穩(wěn)定，疲勞壽命難以預(yù)測(cè)，梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)和微桁架等特殊結(jié)構(gòu)失效判據(jù)難以界定等難題，如何穩(wěn)定增材制造工藝，形成科學(xué)合理的增材制造結(jié)構(gòu)失效判據(jù)及驗(yàn)證方式是目前增材制造技術(shù)急需解決的重要問(wèn)題。