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.     

多梁复合结构的动力学建模及全局解析振型分析

多梁复合结构广泛用于工程领域,其动力学特性对相关装备的工作状况有着重要影响,建立准确适用的动力学模型对后续的动力学响应参数影响规律研究有决定性作用。针对工程中常见的多梁复合结构,给出了位移场的一般表达式,利用哈密顿原理得出多梁复合结构的运动控制方程和边界条件,对其全局解析振型进行理论计算,给出了计算多梁复合结构数值振型的一般过程,基于数值分析和实验分析以L型梁和Z型梁为例利用频率相对误差、振型定性比较和MAC定量分析说明了全局解析振型的求解验证方法,利用伽辽金方法和全局解析振型给出了截断原系统得到离散系统运动方程的一般形式。提出的多梁复合结构的建模方法和全局解析振型求解验证方法,对工程中此类结构动力学响应的参数影响规律研究有重要意义。     

面向3D打印的设计制造一体化探索

紧密围绕航天结构未来发展需求,以增材制造复杂产品研发为研究对象,对实现设计制造一体化的技术路线和关键技术进行分析。把设计、仿真和制造有机统一起来,把工艺设计纳入结构设计流程,通过仿真驱动设计来提高产品质量、降低制造成本。研究成果可应用于航天领域增材制造产品研发,对传统设计制造模式向智能制造转型具有积极探索意义。     

火箭多台发动机并联推力传递结构动静耦合计算方法

针对运载火箭多台发动机并联推力传递结构在工作中力学环境适应性问题,开展了动静耦合动力学计算方法研究。该研究分析了动静耦合机理,并以此为基础,计算了有无静载的结构模态频率和推力传递结构关键部位随机振动响应。结果表明,火箭推力传递结构在大推力作用下,结构的刚度发生改变,进而影响动力学特性。相关研究结果为火箭多台发动机并联推力传递结构动静联合试验提供了参考意义。     

格栅结构吸波性能探索研究

探索研究了格栅结构作为吸波结构的可能性,利用Floquet定理分析格栅结构传播电磁波的特性,通过传输线和等效电路法设计格栅结构,为展宽吸波频带和提高吸波性能,将电路屏引入格栅结构,结果表明当电路屏与格栅结构匹配时,含有电路屏的格栅结构在8～18GHz内反射率≤-5dB,在频率点为16.4GHz时最大峰值为-24.4dB.     

基于SMP机群的航空CFD并行技术应用研究

针对SMP机群的双层并行体系结构,研制出一种双层并行技术--在计算节点间采用MPI消息传递模式并行,而在计算节点内部采用OpenMP编译器指令模式并行.通过算例测试证明,采用该技术的航空CFD程序,并结合贪婪负载平衡分配技术进行并行计算,其效率可达94%,计算结果与实验值吻合.     

基于滑模变结构和扩张状态观测器的电动舵机复合控制方法

为提高电动舵机伺服系统的鲁棒性,同时解决实际工作中电动舵机不确定负载引起的跟踪精度低的问题,提出了一种采用指数趋近率的滑模变结构控制率结合扩张状态观测器对负载扰动进行实时估计的电动舵机的伺服控制方法,给出了控制器设计方法和试验验证。仿真和试验结果表明,与常规的滑模控制器相比,采用扩张状态观测器的变结构控制能有效提高电动舵机的跟踪性能。     

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。     

基于产品-服务系统概念的商用飞机研发模式初探

我国商用飞机制造业正面临着市场化的趋势,飞机主制造商的关注点逐步向产品服务延伸,即可持续性发展。纵观飞机产品全生命周期,主制造商对于产品的研制应是面向包含飞机产品、服务产品及整个运营保障维护体系在内的整体化、系统化、综合性的研发工程,即商用飞机产品服务系统。本文基于产品服务系统概念,创造性地提出了有别于传统的、新型商用飞机研发模式的设想。本文介绍的新型商用飞机研发模式是基于系统工程方法,其研发过程主要包含捕获利益攸关方需要、建立产品服务系统功能架构、建立产品与服务功能关系矩阵以及产品服务系统技术解决方案定义共四个关键过程,文中开创性的提出了适用于该研发模式的、面向产品服务功能绩效实现的功能层级分解结构,作为整个研发过程的重要环节。     

新型柔索式杆束结构压紧释放装置

针对空间机械臂、空间可展开天线等空间机构在收拢状态的杆束结构压紧与释放问题,提出一种基于柔性索捆绑压紧与热刀释放的新型压紧释放装置。建立了柔索式压紧释放装置锁紧状态的力学模型,分析了静态压紧和考虑惯性载荷情况下的绳索预紧力变化情况,得到了满足可靠压紧的绳索预紧力设计值。基于质量和刚度等效,设计了机械臂杆束结构力学等效件,并进行了正弦与随机振动力学试验。试验结果验证了所设计的柔索式杆束结构压紧释放装置的可行性,并可以推广到具有复杂包络的杆束结构压紧释放中。