基于增材制造的鵝頸鉸鏈優(yōu)化設計

劉衛(wèi)

摘? 要：新材料、新結(jié)構(gòu)的研發(fā)需要先進的設計方法和先進的制造工藝的相結(jié)合。作為先進的設計方法，拓撲優(yōu)化設計方法具有廣闊的空間，為工程師提供有創(chuàng)造性的概念設計方案。該文以飛機上常見的鵝頸鉸鏈為研究對象，利用INSPAIRE EVOLVE等商業(yè)軟件對其開展拓撲優(yōu)化、優(yōu)化后處理和評估，探索航空零部件在初始設計階段的拓撲優(yōu)化流程，探索飛機結(jié)構(gòu)減重新手段、新方法，獲得創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

關鍵詞：增材制造? 拓撲優(yōu)化? 變密度法? 鵝頸鉸鏈

中圖分類號：TH137.52 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（b）-0072-02

拓撲優(yōu)化可以在保證約束邊界條件下，根據(jù)最優(yōu)傳力路徑實現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)內(nèi)部的材料“按需布置”，以達到滿足約束條件下的最高效結(jié)構(gòu)性能，目前已受到國內(nèi)外學者及工程人員的廣泛關注[1]。然而，拓撲優(yōu)化結(jié)果幾何構(gòu)型復雜，采用傳統(tǒng)制造工藝很難實現(xiàn)拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的制造成型，因此拓撲優(yōu)化方法與實際工程結(jié)構(gòu)設計及應用之間仍存在較大的鴻溝。

增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限，使得這種復雜拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的制造成為可能。增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)是一種以三維模型數(shù)據(jù)為基礎的新型制造技術(shù)，目前已受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的高度關注[2]。與傳統(tǒng)的減材制造方式不同，它將材料通過逐層堆疊積累的方式構(gòu)造物體，這種獨特的制造方式可實現(xiàn)高度復雜結(jié)構(gòu)的自由生長成形，極大地拓寬了設計空間，為新結(jié)構(gòu)及材料的制備提供了強大的工具，同時也使得從微觀到宏觀多個幾何尺度結(jié)構(gòu)的制備成為可能，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計受制造工藝約束的問題，設計者可以根據(jù)最高效的傳力路徑實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化，為設計人員實現(xiàn)“理想中”的最優(yōu)方案提供了可能，極大地解放了設計自由度。

然而，增材制造并非完全“自由”制造，仍然存在獨特的制造約束，主要包括以下幾類結(jié)構(gòu)最大/最小尺寸、支撐結(jié)構(gòu)、制造缺陷（表面粗糙度、材料各向異性等）及連通性約束等[3]。

該文以飛機上常見的鵝頸鉸鏈為研究對象，利用INSPAIRE EVOLVE等商業(yè)軟件對其開展拓撲優(yōu)化、優(yōu)化后處理和評估，探索航空零部件在初始設計階段的拓撲優(yōu)化流程，探索飛機結(jié)構(gòu)減重新手段、新方法，獲得創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

1? 鵝頸鉸鏈模型分析

1.1 幾何模型

傳統(tǒng)制造工藝下的鵝頸鉸鏈結(jié)構(gòu)通常頂端有耳片與鉸鏈架相連，鉸鏈座上有個釘孔，通過枚螺栓與主體相連。耳片與釘孔的位置是固定的。

1.2 載荷和約束

鵝頸鉸鏈載荷如表1所示。

1.3 材料

該文優(yōu)化設計所用鈦合金材料的性能為：彈性模量E=100.3GPa，泊松比μ=0.31，密度ρ=4500kg/m3，屈服強度σ=903MPa。

2? 優(yōu)化結(jié)果及后處理

2.1 優(yōu)化結(jié)果

該研究選擇優(yōu)化目標為“最大剛度”。在SolidThinking Inspire軟件中運行拓撲優(yōu)化分析計算后，得到了如圖1所示的優(yōu)化分析結(jié)果。該結(jié)構(gòu)相比于原始的鵝頸鉸鏈結(jié)構(gòu)減重約37%，但此結(jié)構(gòu)并不能用于工藝制造，需進行進一步的表面光順和結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

采用傳統(tǒng)的機械加工方式時，拓撲優(yōu)化只是應用于結(jié)構(gòu)的概念設計階段，后續(xù)還需要進行形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，以獲得適合于機械加工的結(jié)構(gòu)形式。增材制造工藝的發(fā)展，很大程度上突破了加工工藝的限制，使得拓撲優(yōu)化結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)的最終設計方案，而將拓撲優(yōu)化的結(jié)果轉(zhuǎn)化為最終的幾何結(jié)構(gòu)就變得尤為重要。

該研究中，針對優(yōu)化后的鵝頸鉸鏈結(jié)構(gòu)，用SolidThinking Evolve軟件進行表面光順和幾何重構(gòu)，最終，獲得的鵝頸鉸鏈減重39%。

2.3 結(jié)果分析對比

完成幾何重構(gòu)后，對優(yōu)化獲得的結(jié)構(gòu)進行靜強度的對比評估，驗證其是否滿足約束條件，并與原始鉸鏈結(jié)構(gòu)進行對比，評價收益。

重量對比：原風扇罩鉸鏈重1.23kg，優(yōu)化后的風扇鉸鏈結(jié)構(gòu)為0.74kg，減重39%。

應力對比：除去應力集中，原構(gòu)型最大Von Mises應力為201MPa，除去應力集中，拓撲重構(gòu)后構(gòu)型最大Von Mises 應力為191MPa。

位移對比：原構(gòu)型最大位移為2.64mm，拓撲重構(gòu)后構(gòu)型最大位移為2.7mm。

由對比結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應力的分布比原始結(jié)構(gòu)更為均勻，說明傳力更合理有效，材料對于傳力的貢獻效率更高。

3? 結(jié)論與展望

輕量化的意義對航空航天也來說是不言而喻的，它決定著飛行器的運載能力，油耗水平、飛行性能，起降性能、運行成本等。例如，商用飛機每減少1kg，在其全壽命運營階段可節(jié)約20余萬元人民幣。戰(zhàn)略導彈固體火箭發(fā)動機第三級結(jié)構(gòu)重量減少1kg，可增程16km，彈頭重量減少1kg，可增程20km[4]。減輕重量的方式有很多，而拓撲優(yōu)化設計是重要手段之一。

然而，受傳統(tǒng)制造工藝的約束，根據(jù)最優(yōu)傳力路徑設計出來的結(jié)構(gòu)，很難將其制造出來，所以很多的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往有很多設計的冗余，不是結(jié)構(gòu)效率最高的結(jié)構(gòu)，增材制造技術(shù)可以釋放原有制造方法帶來的制造約束、加工工具的操作空間和通路，也使得設計人員拋棄可制造性的擔憂，可極大地發(fā)揮結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)勢，大大拓寬可設計空間，為將材料應用到最佳位置提供了可能。

文中的工作打通了典型的民機金屬次承力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化-分析流程，但后續(xù)還需要對結(jié)構(gòu)、材料、疲勞、耐久性等進行試驗驗證。

參考文獻

[1] Liu ST， Hu R， Li QH， et al. Topology optimization-based lightweight primary mirror design of a large-aperture space telescope[J].Applied Optics，2014，53（35）：8318-8325.

[2] 吳懷宇.3D打印：三維智能數(shù)字化創(chuàng)造[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3] 劉書田，李取浩，陳文炯，等.拓撲優(yōu)化與增材制造結(jié)合：一種設計與制造一體化方法[J].航空制造技術(shù)，2017（10）：26-31.

[4] 杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報，2007，24（1）：1-12.