航空發(fā)動(dòng)機(jī)支架增材制造輕質(zhì)設(shè)計(jì)研究

王 鳳，張 博，王 超，楊 光

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧省高性能金屬增材制造工程研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

1 引言

零部件的輕質(zhì)化和可靠化極大的提升了航空航天裝備的效能，如起飛重量達(dá)65t的波音737飛機(jī)，每減輕1磅，全壽命周期內(nèi)可節(jié)省數(shù)十萬(wàn)美元燃油成本；某公司的Trent XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)部分是采用增材制造零部件，生產(chǎn)效率提高1/3，交貨周期縮短30%。因此航空零部件輕量化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、軍事意義十分突出[1-2]。航空航天零件具有顯著的“小批量、多品種”特點(diǎn)，隨著產(chǎn)品演進(jìn)，往往一個(gè)型號(hào)迭代過(guò)程中會(huì)衍生出更多改進(jìn)型號(hào)，帶來(lái)的問(wèn)題是單個(gè)型號(hào)批量小、制造成本較高且周期長(zhǎng)，無(wú)法發(fā)揮批量制造優(yōu)勢(shì)，使得單件生產(chǎn)成本高且周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了型號(hào)設(shè)計(jì)、研制工作的發(fā)展[3-4]。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)制造工藝過(guò)多的條件要求也嚴(yán)重限制了他們的設(shè)計(jì)思維，許多理想的結(jié)構(gòu)形式由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)而放棄，嚴(yán)重影響了飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，成為航空航天裝備進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸[5-7]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，增材制造或可為小批量多品種的航空航天型號(hào)研制工作打開(kāi)全新的局面。增材制造不僅會(huì)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方式帶來(lái)變革，也會(huì)對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生重大影響。增材制造技術(shù)可以引導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高部件與產(chǎn)品性能。美國(guó)通用電氣公司（GE）研發(fā)的重型燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率突破64%，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這歸功于燃燒室及噴嘴采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)。

綜上，本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓燃油濾支架為對(duì)象，研究了基于數(shù)字化模型驅(qū)動(dòng)和SLM增材制造技術(shù)相融合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為小批量多品種零件的設(shè)計(jì)、制造提供思路[8-9]。

2 方案設(shè)計(jì)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓燃油濾支架固定在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣安裝邊上，用于支撐低壓燃油濾附件，同時(shí)支架上還設(shè)計(jì)了管路拉桿固定點(diǎn)。支架需要在發(fā)動(dòng)機(jī)全工作包線范圍內(nèi)為附件和管路提供有效的支撐，不應(yīng)出現(xiàn)裂紋，斷裂及影響附件和管路功能的變形。其零部件結(jié)構(gòu)布置應(yīng)滿足合理的傳力路徑、系統(tǒng)通路、裝配空間等要求。支架最大尺寸及特征尺寸，如圖1所示（外廓尺寸105.6mm×111.5mm×56mm，最小的孔徑φ2.6mm、最薄的壁厚3mm、最窄的縫寬10mm）。

圖1 低壓燃油濾原始支架外形及尺寸Fig.1 Outline Diagram of Support for Low Pressure Fuel Oil Filter

2.1 結(jié)構(gòu)概述

發(fā)動(dòng)機(jī)外部固定附件用支架加工工藝主要包括鑄造、鍛件機(jī)加和鈑金焊接加強(qiáng)筋方式等。限于傳統(tǒng)加工的制約，支架設(shè)計(jì)時(shí)很難保證材料盡可能分布在結(jié)構(gòu)的傳力路徑上，造成結(jié)構(gòu)件的重量增加和材料浪費(fèi)。

低壓燃油濾布置在低溫區(qū)，考慮到材料的綜合性能和經(jīng)濟(jì)性，支架選用發(fā)動(dòng)機(jī)低溫區(qū)常用的0Cr18Ni9材料，材料性能，如表1所示。

表1 0Cr18Ni9材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of 0Cr18Ni9

2.2 強(qiáng)度分析

低壓燃油濾支架原始模型質(zhì)量為0.345kg。利用UG高級(jí)仿真工具對(duì)原始模型進(jìn)行仿真分析的結(jié)果，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力分析結(jié)果Fig.2 Stress Analysis Result

由分析結(jié)果可知靜強(qiáng)度的最大當(dāng)量應(yīng)力49.2MPa，發(fā)生的螺紋連接孔和加強(qiáng)筋低部。屈服安全系數(shù)[10]：

極限安全系數(shù)：

模態(tài)分析表明1階固有頻率為260.3Hz，不滿足≥270Hz的要求，模態(tài)計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。

圖3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果Fig.3 Simulation Results

由上述分析結(jié)果可知，原始模型質(zhì)量0.345kg，靜強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)較高，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，還有減重的空間。而剛度卻不是很理想，說(shuō)明材料未能有效布置在承載路徑上，原始模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

3 基于增材制造的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程

采用Inspire優(yōu)化軟件，首先對(duì)可以使用的設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行填充，然后建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，即：

式中：ω1—一階固有頻率；k—發(fā)動(dòng)機(jī)支架剛度；pi—發(fā)動(dòng)機(jī)支架所受的力；δi—由力引起的變形量；n0.2—屈服安全系數(shù)；nb—極限安全系數(shù)。

其拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖4所示。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.4 Results of Topology Optimization

3.2 優(yōu)化模型

按照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果提供的結(jié)構(gòu)件的傳力路徑和材料分布，結(jié)合低壓燃油濾支架自身需要實(shí)現(xiàn)的功能和實(shí)際使用環(huán)境要求，對(duì)支架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，如圖5所示。優(yōu)化模型參照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果將原始模型中兩個(gè)單側(cè)的板式加強(qiáng)筋更改為雙側(cè)4個(gè)長(zhǎng)圓錐形筋，為考慮減重，將長(zhǎng)圓錐內(nèi)部挖空，形成中空的壁厚為1mm的支撐結(jié)構(gòu)。為了保留原來(lái)支架上連接其他支架的功能孔，在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上保留了部分板式結(jié)構(gòu)。低壓燃油濾支架優(yōu)化模型質(zhì)量為0.267kg。

圖5 低壓燃油濾優(yōu)化支架優(yōu)化模型Fig.5 Optimization Model of Support for Low Pressure Fuel Oil Filter

3.3 結(jié)果分析

利用UG高級(jí)仿真工具對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行仿真分析，施加約束及載荷情況，如圖6所示。由分析結(jié)果可知靜強(qiáng)度的最大當(dāng)量應(yīng)力80.12MPa。屈服安全系數(shù)：

圖6 應(yīng)力分析結(jié)果Fig.6 Stress Analysis Result

極限安全系數(shù)：

模態(tài)計(jì)算結(jié)果，如圖7 所示。計(jì)算得出1 階固有頻率為279.9Hz，滿足≥270Hz的要求。

圖7 模態(tài)計(jì)算結(jié)果Fig.7 Simulation Results

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果分析

優(yōu)化后的支架滿足輕量化、集成化、功能結(jié)構(gòu)一體化要求，能夠有效避免支架焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不穩(wěn)定性以及復(fù)雜支架機(jī)加工藝毛坯較大，材料浪費(fèi)較多的問(wèn)題。

優(yōu)化模型外廓及最小特征尺寸滿足增材制造工藝要求，可使用鋪粉技術(shù)成形，工藝難度小。

（1）技術(shù)指標(biāo)的提升

優(yōu)化模型比原始模型剛度有所提高，1 階固有頻率由原來(lái)260.3Hz提高到279.9Hz，滿足≥270Hz技術(shù)指標(biāo)要求。優(yōu)化后靜強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)仍然滿足屈服安全系數(shù)n0.2≥1.2，極限安全系數(shù)nb≥1.5的技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）減重效果

原始支架質(zhì)量0.345kg，優(yōu)化模型質(zhì)量0.267kg，減重22.6%。

（3）經(jīng)濟(jì)效益

原始支架如果選用鍛造毛坯機(jī)加方式加工，毛坯體積大于659366mm3，如圖8（a）所示。采用增材制造方式加工的優(yōu)化模型體積僅為34128mm3，如圖8（b）所示。在強(qiáng)度/裕度滿足使用要求的前提下，采用增材制造工藝提高材料利用率94%以上，經(jīng)濟(jì)性較好。

圖8 兩種制造方案材料利用率對(duì)比Fig.8 Comparison of Material Efficiency for Two Manufacturing Program

（4）可推廣性

為減小支架重量和提高支架剛度，采用在傳遞路徑上布置中空長(zhǎng)圓錐形加強(qiáng)筋的方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用增材制造方式來(lái)進(jìn)行一體化的加工，拓展了支架設(shè)計(jì)新思路。中空長(zhǎng)圓錐形加強(qiáng)筋一體化成形能夠有效避免傳統(tǒng)板式加強(qiáng)筋焊接質(zhì)量問(wèn)題對(duì)支架支撐性能的影響。

在相同重量時(shí)，中空長(zhǎng)圓錐形加強(qiáng)筋比傳統(tǒng)板式加強(qiáng)筋剛度好，但是其成形只能通過(guò)增材制造的方式實(shí)現(xiàn)。目前增材制造工藝技術(shù)對(duì)于加工類(lèi)似中空結(jié)構(gòu)件工藝已經(jīng)十分成熟。

5 增材制造模型

這里利用蓋恩科技GN-T2018并聯(lián)臂3D打印機(jī)對(duì)優(yōu)化后的航空發(fā)動(dòng)機(jī)支架進(jìn)行打印，首先將模型導(dǎo)入分層切片軟件，由切片軟件自動(dòng)生成打印軌跡及代碼，然后連接打印機(jī)確定零基準(zhǔn)面及零點(diǎn)，最后打印支架模型。打印過(guò)程，如圖9所示。

圖9 支架打印過(guò)程Fig.9 Printing Process of Support

打印參數(shù)為：功率為250W，XY方向打印速度為3000mm/min，Z方向打印速度為200mm/min，噴嘴工作溫度為200℃，床身工作溫度為60℃，噴嘴直徑0.4mm。專(zhuān)用耗材為PLA，直徑1.75mm。打印后的最終效果圖，如圖10所示。

圖10 3D打印后支架模型Fig.10 Model of Support After 3D Printing

6 結(jié)論

（1）面向增材制造優(yōu)化的支架滿足輕量化、集成化、功能結(jié)構(gòu)一體化要求，能夠有效避免焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不穩(wěn)定性以及復(fù)雜支架機(jī)加工藝難度大、材料利用率低問(wèn)題。

（2）在滿足靜強(qiáng)度條件下優(yōu)化前原始模型質(zhì)量0.345kg，優(yōu)化后模型0.267kg，減重達(dá)22.6%；剛度有提高，1階固有頻率由原來(lái)260.3Hz提高到279.9Hz，滿足≥270Hz技術(shù)指標(biāo)要求。

（3）優(yōu)化模型能夠?qū)⒉牧嫌行Р贾迷诔休d路徑上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。這里所述的設(shè)計(jì)思路具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。