面向增材制造的飞行器承力结构多功能化设计方法研究

Acclaimed as the most representative manufacturing technology in the “third industrial revolution”, additive manufacturing rapidly developed in 30 years has the ability of making highly complex structures of virtually any shape from a digital model, which fundamentally solved the problem of “How to Make” designated as one of the two key problems in full-scale production. For the other key problem of “What to Make” in the field of multi-functional design of aircraft structures, this project aims to develop a systematic theory and method for the design of multi-funcitional strucutres and propose effective methods for the design of the manufacturing process applicable to residual stress relaxsion. The project will include the following contents and achievements: 1) establish and propose theories and methods including design methods and multi-scale characterizaiton method for hierarchical structures, integrated design methods of structrual configuration and material layout of heterogeneous gradient materials, multi-functional collaborative design method and so on, thus, propose effective structural configurations of hierarchical materials, heterogeneous gradient materials and channel-imbeded multifunctional panel structures integrating functions of load bearing, oil transmission and heat tranfer; 2) investigate and propose the design method for the trajectory of the laser melt pool, area layout method in the block and integer melting process, and propose machining process schemes to minimize the residual thermal stresses.

被誉为“第三次工业革命”最具标志性的生产工具的增材制造技术，经过近30年的发展，已经能够实现高度复杂结构的自由“生长”成形，基本解决了制造中的两大关键之一的“如何制造”问题。本项研究针对另一关键问题--“制造什么”，以飞行器结构多功能化设计需求为背景，研究建立多功能结构构型设计的理论和方法以及可实现残余应力缓和的制备进程设计方法。具体研究内容与成果包括：1）研究建立多层级结构构型的设计方法与多尺度表征方法、非均质梯度材料结构构型与材料布置协同设计方法、多功能协同设计方法等设计方法，设计能够实现轻量化整体结构的多层级结构构型、非均质梯度材料结构构型以及含流道的具有承载与传输（输油、气等）和隐身性能于一体的多功能壁板式结构构型；2）研究激光熔池的运动轨迹的设计方法、分块制造整体熔合中区域布置的设计方法，设计实现制备残余热应力最小的制造进程方案。

被誉为“第三次工业革命”最具标志性的生产工具的增材制造技术，经过近 30多年的发展，已经能够实现高度复杂结构的自由成形，可以实现飞行器大型整体复杂构件的制备。基本解决了制造中的两大关键中的“如何制造”问题。本项研究针对另一关键问题 “制造什么”， 以飞行器结构多功能化设计需求为背景，将拓扑优化（具有超强创新设计能力的设计方法）与增材制造（具有强大的制备能力的制造技术）相结合，具体围绕“如何设计优质构型”和“如何保证设计的可制造性”两个方向进行研究、攻关，发展面向增材制造的飞行器承力结构多功能化设计理论和方法，取得了一系列具有创新性的研究成果。具体包括：（1）研究了面向增材制造的设计理论和方法，建立了增材制造工艺约束的表征与描述模型、考虑可制造性的结构与材料创新构型设计理论和方法、制造进程设计方法等，重点解决优化设计的可制造性问题;（2）提出基于增材制造的多层级并发和多功能协同的梯度结构设计理论和方法，重点解决优质构型的发现和设计问题，可实现多层级结构、非均质梯度结构以及特定特异性能超材料微结构构型的设计;（3）针对飞行器等先进装备结构零部件，开展功能驱动的设计方法研究，提出了包括双向多拱形大口径空间反射镜、增材制造飞行器环形散热器、航天器桁架接头等多个典型零部件创新构型。在国内外重要期刊发表学术论文95篇（国际期刊论文68篇，国内期刊论文27篇），授权发明专利17项，获批软件著作权2项。负责组织和参与组织国际学术会议7次，国内学术会议2次；参加国际会议46人次，其中做特邀报告6次，参加国内会议19人次，做邀请报告或大会报告8次；在人才队伍建设方面成效显著，课题组1人晋升教授，1人晋升副教授，2人留校任讲师。入选大连理工大学星海学者—星海优青培育计划1人，大连市首批科技之星1人，已培养博士研究生16人，硕士研究生42人。圆满完成了研究计划的全部研究内容，取得的研究在数量和质量上均达到或超过研究计划目标。