基于激光选区熔化的航空发动机喷嘴减重设计及制造技术研究

航空发动机喷嘴是影响燃烧性能的关键部件,其组件众多、结构复杂,尤其内部流道加工困难,导致制造周期长、成本高。然而,作为非主承力件的喷嘴非常适用于激光选区熔化制造技术(SLM),这得益于激光选区熔化加工精度高,自由成形能力强,材料组织致密度高。基于SLM可实现自由制造的技术优势,首先对喷嘴的壳体组件进行了一体化设计,并进行了受力分析和拓扑优化,然后采用SLM打印了成形件,经过测量,可获得13.5%的轻量化效果,打印误差小于0.2mm,满足局部精加工的余量要求,随炉试件力学性能达到传统铸锻件水平。SLM简化了喷嘴的加工工序,缩短了制造周期,流道成形精度高,达到了减轻重量和改善性能的目的。     

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。     

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。     

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析,然后开展基于骨架模型的离心叶轮拓扑优化设计及可实现的工艺设计,最后对优化后的模型进行校核。结果表明：该优化设计模型实现离心叶轮减重8.7%,进一步提高了微小型航空燃气轮机的功重比;同时最大变形减少7.5%,最大等效应力减少0.59%,提升了离心叶轮工作时的安全裕度。     

基于等几何分析的板壳结构形状-拓扑协同优化

板壳结构轻量化设计是工程中的常见问题,采用有限元法对板壳结构进行拓扑优化时,难以获得高质量的网格以精准描述几何模型,且单独使用拓扑优化受制于初始设计空间。提出了一种基于等几何分析的形状-拓扑协同优化方法,该方法执行先形状优化、后拓扑优化的步骤,在最佳结构形状的基础上实现最佳材料布局的优化目标。相比于其他组合形式的优化机制,极大地提高了计算精度与计算效率。采用3个数值算例验证了本方法的有效性与高效性,结果表明,与经典等几何拓扑优化方法相比,可得到更高性能的优化结构,有助于进一步拓宽结构优化的应用范围。     

基于二级优化技术的襟翼导轨设计方法研究及应用

结构质量对飞机的各项性能具有至关重要的影响,为了有效降低飞机结构质量,合理布置材料,提高材料的利用效率,发展一种二级优化设计技术.以外襟翼平面导轨结构为研究对象,将优化设计问题分解成两个易于求解的子问题——顶层优化设计和底层优化设计,顶层优化设计采用拓扑方法确定腹板的加筋形式,底层优化设计采用尺寸优化确定襟翼导轨的厚度分布;通过两层优化,在结构质量最小化的基础上,使得结构形式最优化.结果表明:在保证应力和位移水平的前提下,二级优化设计技术可以快速有效地减轻结构质量,具有一定的工程应用价值.     

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.     

Precise output loads control of load-diffusion components with topology optimization

The purpose of this paper is to present a novel topology optimization approach to control precisely the output loads under static loads and harmonic excitations. We introduce the Artificial Bar Element (ABE) at the designated output positions, where the output loads are equivalently measured and constrained with the nodal displacements of ABE. Optimization model is then formulated considering the output load constraints as well as the minimization of strain energy and dynamic displacement responses respectively under the static and dynamic conditions. The influences of the ABEs stiffness, different material usages of the design domain, widths of the output loads constraint intervals and variation ratios of output loads are discussed in detail. The proposed method is verified with several numerical examples with clear and reasonable load transfer paths.     

空间太阳能发电站拓扑架构及能量管理控制策略

针对超大功率空间太阳能电站(SSPS),提出了一种分布式+集中式系统拓扑架构,将系统电力传输分为太阳电池阵区、主结构电力传输区及发射天线阵区三大部分。根据系统三大阵区的能量流动关系,本文将SSPS系统的工作模式划分为最大功率点跟踪(MPPT)工作模式、跟踪功率指令工作模式及阴影区工作模式,并提出分层能源管理控制策略。最后,针对兆瓦级太阳电池阵的不同工作模式,利用Matlab/Simulink搭建空间太阳能电站系统仿真模型,进行仿真试验及对比分析,试验结果验证了拓扑架构的合理性及控制策略的有效性,为解决空间太阳能发电技术电力传输与能量管理问题提出了新思路。     

动态发现网络拓扑关系在载人航天任务中的应用研究

介绍了网络拓扑关系动态发现的基本知识,通过对基于地址转发表的拓扑发现算法的分析,提出了基于STP状态表的拓扑发现算法,实现动态发现网络拓扑关系。该算法降低了算法实现的复杂性并提高了拓扑发现的有效性,在载人航天任务中发挥了作用。