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.     

合理运用SI技术快速收敛高速数字电路设计

随着数字电路集成度和工作频率的不断提高,信号完整性(Signal Integrity, SI)问题在产品研制过程中越来越突出。以惯导系统中的某导航计算机为例,针对故障信号回路,使用仿真软件对其SDRAM时钟信号进行信号完整性仿真,并进行优化设计。通过对比优化前和优化后的仿真与测量结果,验证了由于端接参数不匹配造成SDRAM时钟信号的非单调性畸变问题。仿真与测量结果表明,在产品研制流程中加入信号完整性仿真环节有利于设计快速收敛,提前规避风险,缩短研发周期,降低设计成本,提高电路产品的可靠性和电磁兼容性。     

惯导系统旋转机构轴承动力学建模方法研究

旋转机构是旋转调制捷联惯导系统的关键部件之一。为了精确模拟旋转机构的动力学特性,研究了支撑旋转轴系的双列球轴承的动力学建模方法,提出了使用Bushing单元来建立同时具有径向移动刚度、轴向移动刚度和径向角刚度的三向刚度轴承动力学模型的方法。利用有限元数值仿真方法计算了三向刚度数值,并利用轴承手册上的经验公式进行了验证。在此基础上,建立了含弹性轴承支撑的旋转调制捷联惯导系统旋转机构的结构动力学有限元模型,分析比较了轴承有无角刚度两种状态下的固有模态。分析结果表明:对于旋转调制捷联惯导系统旋转机构来说,轴承模型角刚度对计算精度的影响较大,角刚度已知的模型更接近真实情况。     

C/SiC复合材料螺钉拉伸强度分布模型

C/SiC复合材料螺钉是在高超声速飞行器上应用越来越广泛的一类重要紧固件,但其拉伸性能存在较大散差,分布规律尚不明确,给材料选用和结构设计带来了很大困难。本文采用电子万能试验机对M8、M10、M12三种规格的平头C/SiC复合材料螺钉进行力学性能试验,并分析了拉伸强度的分布规律。在此基础上应用双参数Weibull模型对统计数据进行拟合,并对拟合结果进行了柯尔莫哥洛夫检验。结果表明:C/SiC复合材料螺钉的拉伸性能分布满足双参数Weibull模型,其特征强度β为212 MPa,形状参数α为9. 45,可以据此进行复合材料许用强度设计。     

钢板内部缺陷失效分析

采用120 mm厚的45#钢轧制板材经粗加工后进行调质处理,热处理后超声探伤发现钢板厚度方向中部存在缺陷。通过失效分析认为,钢板内部的缺陷为沿变形方向分布的带状组织,部分带状组织中存在沿晶裂纹。形成带状组织及裂纹的机理是原材料钢锭浇铸过程中心部形成枝晶偏析,轧制过程中偏析区被拉长因而形成偏析条带,条带区因富含Mn、S、P等元素形成硬度较高的马氏体组织,调质热处理过程中在组织应力及热应力作用下马氏体条带组织区域发生沿晶脆性开裂。     

基于工况/场景的飞机系统试验验证方法

描述了一种飞机系统在试验室系统综合或全机级环境下进行设计验证的方法和过程。首先定义系统需求所在工况/场景,然后根据功能基线,确定工况发生的阶段以及完成此工况需参与的系统范围和构型,从而形成具体的试验步骤,进而通过试验来判断系统的响应是否满足上一级需求。     

灌封用硫化硅橡胶空间适用性分析

针对航天器灌封用硫化硅橡胶,研究了其在γ射线辐照前后电学性能及力学性能的变化规律,揭示了引起性能变化的内部状态的变化及性能变化机理,同时也研究了其在空间站和载人舱中应用时的阻燃特性、逸出有害气体情况、抗菌防霉性能。结果表明,总剂量辐照后硫化硅橡胶的红外特征峰峰位和峰强基本上未产生变化,热分解行为也无变化,但绝缘性能增强,力学性能随着剂量的提升先增强后衰减,硬度不断增大然后趋于稳定,阐述了出现这些现象的原因。在载人舱中应用时应注意垂直燃烧特性及对部分细菌的抗菌性能。研究成果可为硫化硅橡胶在航天器中的使用提供参考和指导。     

Special Column:NDT and SHM in Aerospace

<正>Non-Destructive Testing and Structural Health Monitoring(NDT SHM) is one of the major requirements in aerospace structural design and plays an important role in operation and maintenance of aerospace structures. NDT SHM is a technology dealing     

基于射线追踪的快速雷达图像仿真方法

为了解决目标识别、隐身目标设计等研究领域对雷达图像需求日益增加的问题,提出了一种基于射线追踪的快速雷达图像仿真方法。该方法利用射线追踪计算每一个射线管的散射电场及其在雷达成像平面的投影坐标,通过将所有射线管的贡献在像域进行累加得到1幅二维雷达图像。通过对不同路径射线的聚类,可实现对散射贡献的分离,从而建立目标部件与强散射源的对应关系,并对复杂目标雷达图像进行解释。给出了Slicy目标的快速雷达图像仿真与算例分析,分析结果表明:基于射线追踪的快速雷达图像仿真方法可对复杂雷达图像进行有效预测,并能对强散射源进行成因分析。     

一种正向乘波前体设计方法初步研究

以定楔角乘波体设计方法为基础,研究了影响高超/超声速乘波体"乘波"的主要因素,给出了前体前缘实际气流压缩角的确定方法及影响因素,可知在相同的来流马赫数和压缩角δ下,随着前缘角θ和气流与前缘夹角α的增加,实际气流偏转角γ减小。据此,基于幂函数进气道前体构形,给出了前缘激波不脱体的限制条件及具体的判定方法,分析了乘波体典型几何特征参数对前缘激波不脱体的影响规律,结果显示在相同的来流马赫数和压缩角度下,增大前缘形状因子n,减小前体的长宽比L/W及增大前缘角均有利于激波不脱体。根据给出的前体几何参数对前缘激波脱体的影响规律曲线,对一种"前体几何外形构造+前缘激波附体条件限制"的正向前体乘波器工程设计方法进行了研究,给出了具体设计流程,并进行了初步的数值仿真验证,表明通过该方法设计的乘波前体流动特征与预期的结果吻合,说明文中所给出的激波附体条件及影响规律是可信的,乘波前体设计方法是可行的。