喷嘴壳体激光增材/切削减材组合制造工艺技术

在分析归纳喷嘴壳体组件制造难点的基础上,进行喷嘴壳体典型结构的性能提升和减重拓扑优化设计,并提出原始模型的增材制造优化设计原则,合理规划激光增材及切削减材组合制造的工艺次序及加工内容,极大压缩了加工工序及零件数量,有效减少了组合加工和焊接环节,提高了组件的结构强度及加工质量,降低了组件的结构复杂性、制造复杂性,可满足高...     

飞机增材制造制件的宏观结构轻量化分析

增材制造技术一直被定位在传统制造技术难以低成本、高效率完成的复杂结构制造[1]。目前航空领域中,增材制造技术主要是用来解决某些航空装备重点零部件生产研制瓶颈,而忽略了增材制造技术对实现航空装备轻量化的重大作用。在飞机设计和制造中,增材制造技术不仅可以使形状结构复杂的零组件整体成形以减少装配连接结构,而且还可以成形出更加合理的空前形状结构尺寸的飞机零组件,以达到充分实现飞机"宏观结构轻量化"的目的,特别是对飞机系统件的减重效果最为明显。飞机结构轻量化对提升飞机整体性能、减少飞机耗油量以及节约制造成本、减少排放污染等意义重大。同时增材制造技术在国内的成熟发展,将逐渐成为国内飞机设计理念革新的标志。     

基于增减材复合制造的中空离心叶轮工艺设计

小型涡喷发动机主要零部件满足性能要求情况下,实现适量减重对提高发动机推重比有着积极意义.分析小型涡喷发动机空间结构,选择整体式叶轮进行轻量化设计,给出初步的中空结构方案并进行增减材复合工艺探索.以中空离心叶轮为研究对象,基于增减材复合制造工艺,设计了中空离心叶轮完整工艺流程及检测方案,使用Powermill软件对工艺流...     

增材制造技术在航空发动机中的应用

受制于传统制造工艺,航空发动机零件多年来一直存在制造成本高、周期长、减重困难、设计空间有限的问题。与传统制造工艺相比,增材制造技术具有明显的优势。本文阐述了增材制造技术在直接制造和零件修复领域的应用,分析指出了该技术在航空发动机领域的广阔前景。     

基于Kriging模型的离心叶轮结构优化设计

研究了以减重为目标的航空发动机离心叶轮结构优化问题,将Kriging模型与遗传算法相结合,应用拉丁方试验设计和有限元分析生成初始样本数据,利用初始样本数据建立离心叶轮重量和最大应力等状态参数的Kriging模型,运用遗传算法对该Kriging模型在设计空间进行全局寻优,利用有限元分析方法计算近似最优设计点的状态参数,并以此更新已有的设计样本数据,不断提高Kriging模型的近似精度.计算结果表明,基于Kriging模型-遗传算法的离心叶轮结构优化设计方法不仅可以获得良好的优化结果,比直接用遗传算法寻优减少了大量计算时间,提高了设计效率,同多项式模型-遗传算法相比也有效率优势.     

大型民用飞机APU舱门铰链接头优化设计

以大型民用飞机APU舱门鹅颈铰链接头为研究对象,以质量为优化目标,以强度和刚度为优化约束,对鹅颈铰链接头进行初步结构优化设计,并采用CATIA软件进行三维重构,采用Patran和Nastran软件对优化后的鹅颈铰链接头进行强度校核,得出点阵拓扑轻量化构型鹅颈铰链接头。点阵拓扑轻量化构型鹅颈铰链接头在强度满足设计要求的前提下,其质量相比原始构型减少52.4%。采用SLM(激光选区熔化)增材制造技术,对点阵拓扑轻量化构型的鹅颈铰链接头进行增材制造,并挑选实际服役最严重工况对其进行100%限制载荷静力试验。试验件在试验过程中始终处于弹性变形,并对比试验与理论分析的应变数值,最大拉应变误差为7.88%,最大压应变误差为4.21%,符合零件设计要求。     

拓扑优化与增材制造结合:一种设计与制造一体化方法

被誉为"第三次工业革命"的增材制造技术通过材料层层累加的方式实现结构的制备,这种独特的制造方式实现了高度复杂结构的自由"生长"成形,极大地拓宽了设计"空间",为新型结构及材料的制备提供了强大的工具。制造工艺的飞速发展往往需要设计技术的快速跟进,拓扑优化方法因其不依赖初始构型及工程师经验,可获得完全意想不到的创新构型,已成为结构创新设计的重要工具。因此,将拓扑优化(先进设计技术)与增材制造(先进制造技术)融合,发展面向增材制造的创新设计技术具有广阔的前景。从面向增材制造的优质结构构型设计以及考虑增材制造工艺约束的拓扑优化设计方法两个方面,介绍了现阶段基于拓扑优化方法所建立的结构创新设计理论,并指出未来研究的趋势。     

金属材料增材制造技术在直升机中的应用发展研究

本文分析了金属材料增材制造技术的发展现状,包括金属材料增材制造工艺的分类及特点、原材料、主要设备供应商和研发方向、增材制造工件所需的主要后处理方法;回顾了增材制造技术在直升机中的应用现状,提出增材制造技术尚未用于制造直升机机体承力部件的主要原因（存在疲劳强度较低、成形精度较差、成本较高等问题）;展望金属增材制造在直升机结构拓扑优化设计、结构整体化设计、结构功能一体化设计及维护保障中的应用前景;提出增材制造技术在直升机应用的三个阶段。     

某微小涡喷发动机压气机减重设计研究

提高航空发动机的推重比,使发动机最大程度实现轻量化,对微小涡喷发动机压气机的减重设计具有重要意义。对某实心压气机开展有限元计算,得到应力、变形等重要强度考核数据,作为减重优化的设计约束空间。在此基础上,借助等强度结构高强度、高刚度特性,对离心压气机盘的实心部分进行减重优化设计。对比优化前后压气机的承受载荷能力。结果表明:在Mises等效应力小幅增加、叶尖径向位移不显著增加的条件下,压气机减重可达20.3%。     

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

An aerospace bracket designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing

Combination of topology optimization and additive manufacturing technologies provides an effective approach for the development of light-weight and high-performance structures. A heavy-loaded aerospace bracket is designed by topology optimization and manufactured by additive manufacturing technology in this work. Considering both mechanical forces and temperature loads, a formulation of thermo-elastic topology optimization is firstly proposed and the sensitivity analysis is derived in detail. Then the procedure of numerical optimization design is presented and the final design is additively manufactured using Selective Laser Melting (SLM). The mass of the aerospace bracket is reduced by over 18%, benefiting from topology and size optimization, and the three constraints are satisfied as well in the final design. This work indicates that the integration of thermo-elastic topology optimization and additive manufacturing technologies can be a rather powerful tool kit for the design of structures under thermal-mechanical loading.     

微燃机双面复合叶轮压缩特性

为追求高性能参数、高新技术装备的核心机,基于结构融合、过程融合思想,对传统微燃机核心机进行融合创新。基于3D打印设计制造技术基础,创新设计了一种双面常规叶轮与空心涡轮叶片径向连接为一体的双面复合叶轮结构,有望成为未来极具潜力的高效叶轮。具体对基于双面复合叶轮的微燃机工作原理,结构方案及预期性能进行初步分析,重点对双面复合叶轮的压缩特性与后进气管换热特性进行了数值模拟研究。结果表明:该叶轮相比常规叶轮,压缩特性符合预期,较为理想,在压比、流量、效率方面均有显著提高;后进气管回收4.4 K尾气温度可提高热效率,为高气动性能、高循环参数的燃气轮机发展奠定了基础。     

A review of topology optimization for additive manufacturing: Status and challenges

Topology optimization was developed as an advanced structural design methodology to generate innovative lightweight and high-performance configurations that are difficult to obtain with conventional ideas. Additive manufacturing is an advanced manufacturing technique building as-designed structures via layer-by-layer joining material, providing an alternative pattern for complex components. The integration of topology optimization and additive manufacturing can make the most of their advantages and potentials, and has wide application prospects in modern manufacturing. This article reviews the main content and applications of the research on the integration of topology optimization and additive manufacturing in recent years, including multi-scale or hierarchical structural optimization design and topology optimization considering additive manufacturing constraints. Meanwhile, some challenges of structural design approaches for additive manufacturing are discussed, such as the performance characterization and scale effects of additively manufactured lattice structures, the anisotropy and fatigue performance of additively manufactured material, and additively manufactured functionally graded material issues, etc. It is shown that in the research of topology optimization for additive manufacturing, the integration of material, structure, process and performance is important to pursue high-performance, multi-functional and lightweight production. This article provides a reference for further related research and aerospace applications.     

面向全疆域设计需求的某涡轴发动机核心机转子减重优化

为满足某涡轴发动机平原、高原、高寒以及海洋环境下的全疆域设计需求,综合采用尺寸优化和拓扑优化对核心机转子盘体形状进行了减重优化。首先提出了一种基于本征正交分解的径向基神经网络代理模型构造方法,通过在关键区域补充采样,在样本总数相当的前提下,提高了寻优效率,缩短了优化所需的时间。利用该方法对核心机转子盘体尺寸进行优化,优化后结构重量减轻,应力分布和强度储备更趋合理。然后采用变密度法对涡轮盘螺栓孔附近区域进行拓扑优化,得到一种带凸耳形状的螺栓孔创新构型,解决了由于优化后盘体减薄而导致的螺栓孔应力上升过多的问题。结果表明：在转子强度、寿命满足规范要求的前提下,优化后的核心机转子减重15%,满足了全疆域设计需求对转子重量的要求。     

Pareto多目标算法在离心压缩机蜗壳优化中的应用

基于Pareto多目标算法构建了一套针对离心压缩机蜗壳的气动优化系统,该系统集成了参数化建模、ICEM网格划分、CFX计算和CFD组合优化技术.利用该系统以总压损失系数和静压恢复系数为目标变量针对椭圆截面离心压缩机蜗壳进行气动优化设计.优化后的模型与初始模型相比总压损失系数降低11.79%,静压恢复系数升高16.97%,蜗壳内部二次流减少,蜗壳与叶轮更加匹配,表明该方法能够有效地提高离心压缩机的整体性能.      

惯导系统结构拓扑优化方法研究

针对惯导系统结构拓扑优化问题,提出了一种考虑多工况组合和等效边界处理的优化方法.以惯导系统结构件为研究对象,梳理了不同结构件的载荷工况;以刚度最大为 目标函数,以体积分数、结构频率和最大变形等作为约束条件,研究了变密度拓扑优化方法;以某惯导系统的盖板、惯性台体和外壳体3个结构件为例,进行了优化方法验证.结果表明,与传统...     

点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析

基于八角桁架点阵结构,提出了一种新的涡轮压气机叶轮轻量化设计方法。在保证点阵轮具有可加工性的同时为了提高打印成功率,基于有限单元法对点阵轮不同激光功率、激光走速、激光宽度、铺粉层厚和支撑切割高度下的增材制造过程进行模拟,分析了不同打印参数下点阵轮打印过程的最大残余变形及最大残余应力。结果表明,激光打印参数(如激光功率、激光走速和激光宽度)对叶轮残余变形和残余应力幅值有较大影响,而铺粉层厚对残余变形和残余应力幅值的影响相对较小,通过降低激光功率、提高激光速度和增加激光宽度,可以降低叶轮的残余应力。对于填充率为11.4%的晶格单元,点阵轮相对于原始轮质量可降低23.5%。加工完成后点阵轮的残余变形和残余应力均小于原始轮,本文工况下,点阵轮加工完成后的最大残余应力和变形可分别比设计轮最多降低8.72%和20.19%。这意味着采用点阵轮的设计方式在降低叶轮质量的同时,还将具有更接近于原始设计且更不容易在加工中损坏的优良加工性。     

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。     

高速微型离心压气机的改型设计

近年来微型涡喷发动机的研究受到国内外的高度重视。微型叶轮机作为微型涡喷发动机的核心,其内部流动状况及特性是研究的重点。本文首先采用S-A湍流模型,对某微型涡喷发动机的离心压气机(转速118 000 r/min)的地面状态和设计转速下的粘性流场进行了三维数值模拟计算,得到了压气机特性曲线。接着对该离心压气机进行了改型。通过与原型三维流场的对比分析,实施了改型流道设计,重点在于调整转子流道的形状以及转子出口与径向扩压器之间的流道匹配。改型离心压气机的三维流场计算结果表明,基本达到改型设计要求。