快速铸造原型内腔结构设计机理研究及其拓扑优化

快速铸造技术极大地提高了航空航天精密零部件的生产效率和制造柔性，然而树脂原型由于其刚度和热胀系数大、烧失温度高，在加热过程中极易胀裂砂型壳，导致铸造失败。为此，针对砂型和树脂原型的构造与工艺特点，本项目提炼出同时考虑砂型热应力和原型刚度两种指标的异相材料热匹配优化设计这一科学问题，通过研究原型结构的拓扑优化设计技术，形成填充空腔的结构创新构型设计新方法；进一步深入探讨热力耦合环境下构型设计对系统力学性能的影响机理，实现砂型与原型之间的热变形协调。在降低砂型壳热应力、避免胀破的同时，也能充分保证原型刚度、节省光敏树脂材料消耗，最终通过原理性样件的快速铸造试验测试验证设计效果。项目特色在于将拓扑优化设计方法与先进制造技术相结合，分析热力耦合环境下树脂原型结构的设计机理；通过解决新问题，发展拓扑优化设计方法，同时拓展其工程应用范畴。对开展材料-结构-工艺一体化设计具有重要意义。

快速铸造技术极大地提高了航空航天精密零部件的生产效率和制造柔性，然而树脂原型由于其刚度和热胀系数大、烧失温度高，在加热过程中极易胀裂砂型壳，导致铸造失败。为此，针对砂型和树脂原型的构造与工艺特点，本项目提炼出同时考虑砂型热应力和原型刚度两种指标的异相材料热匹配优化设计这一科学问题，通过研究原型结构的拓扑优化设计技术，形成填充空腔的结构创新构型设计新方法；进一步深入探讨热力耦合环境下构型设计对系统力学性能的影响机理，实现砂型与原型之间的热变形协调。在降低砂型壳热应力、避免胀破的同时，也能充分保证原型刚度、节省光敏树脂材料消耗，最终通过原理性样件的快速铸造试验测试验证设计效果。计算与试验验证表明，拓扑优化设计可有效提高原型刚度30%以上，型壳热应力可降低10%左右，取得了显著效果.此外，在完成上述研究内容的基础上，进一步依据本项目提出的快速铸造异相材料结构热匹配和刚度匹配问题，将研究范围拓展带温度梯度、不均匀材料相结构部件热匹配和连接结构刚度匹配问题的拓扑优化研究，揭示了拓扑优化设计中的结构刚度、热应力匹配设计机理。研究方法应用于航空发动机尾喷口调节片结构构型优化设计中，取得了调节片热应力降低25%，刚度与结构重量保持不变的设计效果；应用于飞机翼梁蒙皮连接结构优化设计中，取得连接件应力下降25%，结构刚度扰动保持在5%以内的效果。.项目特色在于将拓扑优化设计方法与先进制造技术相结合，分析热力耦合环境下树脂原型结构的设计机理；通过解决新问题，发展拓扑优化设计方法，同时拓展其工程应用范畴。对开展材料-结构-工艺一体化设计具有重要意义。.本项目发表SCI检索论文12篇，获得2015年度国家自然科学二等奖一项，获得2012年度陕西省科学技术一等奖一项。