近年來，國外高超聲速飛行器、先進航天運載器飛行故障分析表明，航天薄壁構件熱結構失效問題、結構維形失效問題、振動失效問題的根本原因均可歸結于嚴酷熱-機械耦合載荷環境下材料-結構-性能的不匹配設計。為了保證嚴酷服役環境下的結構防熱、承載、振動等綜合性能以及輕量化設計要求，必須從宏微觀多尺度以及設計制造多層面深入挖掘材料-結構潛力，提升材料、結構、工藝等多種因素匹配設計水平。

        西北工業大學張衛紅院士團隊在《航空學報》期刊中發表了《航天高性能薄壁構件的材料-結構一體化設計》一文。本期將分享該論文的研究亮點。

論文鏈接：
https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2022.27428

 研究亮點

本文主要回顧了近年來薄壁構件高性能設計與制造及其航天應用的主要成果，圍繞材料-結構多尺度建模與性能表征、多材料多尺度結構設計與增材制造原理、增材制造材料性能與結構設計的交互作用機制等科學問題，就結構優化中的制造工藝約束建模，增材制造工藝參數對結構性能的影響，高性能構件材料-結構一體化設計方法及航天結構設計應用展開論述，并展望了未來典型航天薄壁構件材料-結構一體化設計和制造方法發展前景與應用，為未來相關研究工作和航空航天裝備研發提供參考。

近幾年研究團隊在該方向上取得的主要研究成果如下：

1）制造工藝參數與結構協同優化設計。針對激光增材制造所導致的各向異性特征，提出了多工藝參數與結構拓撲的協同優化框架，通過物理實驗和神經網絡建立了工藝參數和材料性能的映射關系，結合工程需求建立了三種優化模型，用于設計材料性能和結構拓撲。結合神經網絡和遺傳算法，獲得了近似各向同性的成形材料和對應的工藝參數組合，實現了工藝-結構一體化設計。相較于傳統拓撲優化設計進一步提升了結構性能，如圖1所示。

圖1 增材制造工藝-結構協同優化

2）材料-結構一體化設計。為避免多尺度結構優化中重復進行微結構等效計算，提出了參數化點陣結構和代理模型的概念，即預先由一組參數控制生成一系列微結構樣本庫，并基于均勻化理論等效宏觀力學性能，隨后采用多項式插值建立微結構宏觀性能與控制參數之間的映射關系。這一過程不僅與優化過程互相分離，而且可以重復應用于不同的優化問題中，顯著提升了結構承載性能，同時有效的兼顧了設計自由度和計算效率，如圖2所示。

圖2 點陣-加筋混雜的材料-結構一體化設計

3）航空航天應用。針對易受振動激勵影響的衛星天線結構，基于模態加速度法提出了動力學拓撲優化方法，在骨骼腔體仿生結構啟發下，發展了結構拓撲-點陣構型的協同優化技術，實現了宏觀結構拓撲和點陣填充樣式的匹配設計。針對某衛星平臺，在保證固有頻率大于50 Hz的前提下，進一步將衛星設備組件布局集成到一體化設計模型中，在滿足結構性能的基礎上，實現減重32%的設計目標。針對高速飛行器防熱-承載一體化設計需求，提出了由耐高溫陶瓷基復合材料層、輕量化隔熱點陣層和金屬加強筋結構組成的多層熱防護系統，并集成結構拓撲變量、點陣位置變量和點陣構型參數三種混合變量，對集成熱防護系統進行一體化設計，有效提升了熱防護效果同時降低了熱應力。針對高超飛行器上的整體式舵面結構，提出了多尺度實體-點陣混雜結構優化設計方案，其靜剛度和動力學性能均顯著優于純實體結構和純點陣結構方案。

圖3 面向航空航天的材料-結構一體化設計

原論文信息:

張衛紅,周涵,李韶英,朱繼宏,周璐. 航天高性能薄壁構件的材料-結構一體化設計[J]. 航空學報, 2023, 44(9): 627428.

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