面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。     

面向增材制造的飞行器结构优化设计关键问题

围绕飞行器复杂结构整体构型研制的高性能、轻量化苛刻需求,着重介绍了面向增材制造的结构优化设计面临的系列关键问题以及相关研究成果。分别从面向增材制造的结构多承载环节整体优化建模与性能分析、整体结构多学科性能与功能综合设计方法、跨尺度结构-微结构性能表征与尺度效应的影响机理,以及增材制造工艺对整体结构件性能的影响机理和制造工艺约束4个方面,阐述如何从结构力学与工艺力学角度科学实现最优性能设计与先进增材制造技术的完美匹配与融合。     

增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法

应急保障和战时抢修是增材制造技术发展的重要方向之一,也给面向增材制造的结构优化设计提出了新的挑战。为了实现异种材料原位替换件的构型设计,提出增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法,并以机用散热风扇为例开展应用研究。通过分析散热风扇服役环境和战时抢修需求,在变密度方法框架下建立结构总重量和转动惯量控制在原件数据附近小范围以内、以结构整体柔顺度最小化为目标的拓扑优化问题列式,并完成灵敏度分析公式推导。从拓扑优化结果及其重构模型的仿真数据可知：散热风扇替换件拓扑优化结果收敛性好、满足所有设计要求,重构方案满足增材制造工艺性要求,验证了本文设计方法的有效性。     

未来战斗机对结构创新设计/制造一体化技术的发展需求

介绍了战斗机的发展历程及机体结构技术的演变特征,论述了未来战斗机机体结构设计制造一体化技术发展方向,结合目前增材制造等先进制造技术研究现状,提出大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化、功能结构一体化等创新结构先进制造技术发展需求,以期突破设计极限限制,实现战斗机机体的更新换代,摆脱传统"经典"结构束缚,大幅度提升未来战斗机高性能多功能的机体平台品质。     

复合材料薄壁加筋结构优化设计与增材制造综述

复合材料薄壁加筋结构因具有轻质量、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等优点,逐渐被用于航空航天、舰船邮轮、特种工程等高端装备制造。主要从薄壁加筋先进结构设计方法、复合材料增材制造工艺及复合材料薄壁加筋结构在航空航天领域的应用3个方面对当前研究进展和应用情况进行综述。针对加筋结构优化设计,概述了参数化方法、形状优化方法、拓扑优化方法及其他新型设计方法的基本原理;围绕复合材料增材制造技术,讨论了具体制造工艺的发展现状,以及其纤维铺放/打印路径规划方法;并梳理了航空航天高端装备领域中典型的复合材料薄壁加筋结构应用;最后总结了复合材料薄壁加筋结构–工艺协同设计的发展趋势及面临的关键挑战。     

增材制造600℃高温钛合金研究进展

先进航空发动机高压压气机550～600℃环境使用的关键/重要件对600℃高温钛合金提出迫切需求。但是,难成形的复杂构件以及梯度/复合结构与功能一体化构件等的制造,采用传统铸造、锻造等工艺技术难以满足需求和研发要求。增材制造是先进制造技术的典型代表,拥有材料设计-制造一体化、复杂设计-定制一体化等独特优势,为600℃高温钛合金新材料/新技术研发提供了新的途径。目前国内外已开始关注通过增材制造的方式制备600℃高温钛合金,重点研究材料-工艺-组织-性能的关系。本文首先简要回顾600℃高温钛合金研究,其次重点介绍不同增材制造工艺下600℃高温钛合金沉积态和后处理态的微观组织特点;在综合性能研究方面,列举并分析拉伸性能、蠕变性能、热疲劳性能和抗氧化性能等关键性能;在复杂设计/复合结构章节,论述以600℃高温钛合金为基体的复合材料和梯度结构增材制造的研究进展。最后,对增材制造600℃高温钛合金材料开发、复合工艺探索、缺陷控制和性能评价标准建立等研究方向进行展望。     

民用飞机起落架激光/电子束增材制造技术应用研究

增材制造是先进制造技术的发展方向之一,民用飞机增材制造技术的应用取决于增材制造技术和适航验证技术的成熟度以及材料标准体系的完善度,对民用飞机起落架典型结构所用的A-100、TC18材料进行了激光/电子束增材制造技术应用研究,建立满足适航要求的材料与工艺认证、力学性能表征、内部质量控制与无损检测评价体系。     

铝合金增材制造的发展现状与展望北大核心CSCD

铝合金增材制造凭借着材料自身的轻量化优势以及增材制造工艺在材料利用率和复杂结构制造方面的特点,在航天领域结构件的制造方面受到了广泛关注。本文针对铝合金增材制造在航天领域的应用,通过电弧熔丝、激光选区熔化以及激光送粉三个代表性工艺分析铝合金增材制造技术的研究现状及现存问题,并简要阐述了目前铝合金增材制造技术在航天领域的应用现状和未来的发展方向。     

增材制造金属点阵结构性能研究进展

点阵结构是一种三维规则排列的多孔结构,具有高比强度、高比刚度及优异的散热性能,是结构功能一体化设计的主要载体。由于点阵结构零件的结构复杂,传统加工方法无法直接制备。增材制造技术是一种通过分层制造方式构建三维实体零件的新型制造技术,在复杂结构制造方面具有独特优势。通过增材制造点阵结构零件可以极大地降低制件重量,提高综合力学性能,在航空航天、能源、车辆工程等领域展现出巨大的技术优势。本文对增材制造金属点阵结构、极小曲面结构、拓扑优化结构等复杂零件结构相关研究进行了总结与归纳,从力学性能、轻量化、能量吸收、散热吸声等应用方向进行了综述,最后总结并展望了金属增材制造点阵结构的优势与发展方向。     

增材制造——面向航空航天制造的变革性技术

增材制造技术在航空航天应用方面具有单件小批量的复杂结构快速制造优势,未来将向着设计、材料和成形一体化方向发展。分析了增材制造在航空航天领域应用发展的3个层面,以航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印为主题,介绍了增材制造技术国内外以及西安交通大学的研究状况。涡轮叶片应用增材制造工艺可以有效提高效率降低成本,未来向高性能的高温合金和陶瓷基复合材料增材制造技术发展。高性能轻质聚合物PEEK及其复合材料增材制造在高力学性能结构件、吸波功能件的成形中得到应用,将改变现有的设计与材料,推动结构与功能一体化发展。连续纤维复合材料增材制造将带动无模具纤维复合材料成形的新发展,在太空3D打印将改变未来航空航天制造模式。增材制造技术将给航空航天制造技术带来变革性发展。     

金属增材制造数据处理与工艺规划研究综述

金属增材制造数据处理与工艺规划是金属增材制造软件系统的核心,涵盖了金属支撑结构设计、模型切片以及路径规划等内容,决定着最终金属零部件的产品性能.从金属增材制造模型前处理出发,较为全面地概述了与之相关的多类型支撑设计和新型支撑优化等数据处理内容,针对金属增材制造数据处理中模型切片这一关键环节,分别从平面切片、自适应切片和...     

陶瓷零件增材制造技术及在航空航天领域的潜在应用

陶瓷零件因其强度高、密度低、耐高温及耐腐蚀等特点在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而,陶瓷零件的传统制造方法存在周期长、成本高、依赖模具且难以制造复杂结构等问题,极大限制了陶瓷零件在航空航天领域的应用。增材制造技术是一种基于"离散-堆积"成型原理、由三维数据驱动直接制造零件的方法。与传统制造方法相比,增材制造技术具有设计自由度高、产品研发周期短、制造成本低等优势,可以无需模具快速制造复杂结构陶瓷零件。在简要阐述增材制造原理和特点的基础上,系统地分析了采用三维打印、激光选区烧结、激光选区熔化、熔融沉积造型、分层实体制造、光固化成型等技术制造陶瓷零件的研究现状及存在的问题。最后,对陶瓷零件增材制造技术在航空航天领域的潜在应用进行了分析与展望。     

2000年航空制造技术发展简述

从产品快速开发、先进制造工艺及先进管理技术 3个方面综述了 2 0 0 0年内航空制造技术领域的发展和新突破。     

增材制造技术在航空航天金属构件领域的发展及应用

受传统制造工艺的限制,航空航天产品一直存在生产周期长、制造成本高、减重困难等问题,迫切需要开发出航空航天产品高效快速研制方法。与传统制造工艺相比,增材制造技术以其完全不同的制造理念迅速成为制造技术领域的新方向。阐述了金属增材制造(激光/电子束/电弧)技术种类、优势、深入研究和成果应用。     

增材制造技术在航空发动机中的应用及发展

随着增材制造技术的不断发展,在航空航天领域的研究与应用越来越广泛。本文主要介绍了增材制造技术在航空发动机中的发展现状以及应用前景,分析了目前增材制造技术的不足。     

微小型航空燃气轮机离心叶轮拓扑优化设计

离心叶轮是微小型航空燃气轮机中的关键部件,要求其在满足气动性能的前提下,尽量减轻结构重量,传统设计制造技术已基本发挥到极致,但增材制造技术及拓扑优化设计方法的发展为其进一步优化设计拓展了新的空间。针对某型航空微型燃气轮机离心叶轮减重设计问题,依托增材制造和拓扑优化设计技术,在现有设计的基础上,首先对离心叶轮进行静强度分...     

Integration of Manufacturing Cost into Structural Optimization of Composite Wings

 The manufacturing cost is a significant factor that must be considered in the structural design of a composite wing. A multi-objective optimization method for the tradeoff between manufacturing cost and weight of composite wing structure is developed by integrating the manufacturing cost model into the traditional wing structural optimization. A two-level optimiza-tion method is proposed to carry out the tradeoff between manufacturing cost and weight, in which the design variables include both structural layout and dimensions and a cost model is incorporated into structural optimization. The manufacturing cost model for a composite wing and the detail procedure for solving this tradeoff problem are presented. The application of the method to the composite wing structural design of an unmanned aerial vehicle is illustrated to verify the method. The applica-tion indicates that the method is able to find the Pareto optimal set of minimum structural weight and manufacturing cost. Based on the Pareto optimal set, one can conduct the tradeoff between manufacturing cost and weight of wing structures.     

面向21世纪的敏捷制造

敏捷制造是一门先进制造技术。本文综述了敏捷制造的由来、内涵及定义、研究内容、三大支柱、实施和关键技术、发展现状以及发展前景。     

SPF/DB设计与制造一体化技术在导弹中的应用

为满足飞机、航空发动机、导弹新型结构的发展需要,开展基于SPF/DB成形工艺的设计与制造一体化技术研究,建立系统完善的一体化流程.实践表明,一体化设计制造方法能够有效缩短研制周期,提高研制效率.