张卫红院士团队：航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计

| 3DScienceValley · 2023/08/05

以下文章来源于航空学报CJA ，作者航空学报CJA

航天重大装备是国际竞争的战略制高点，是国家整体制造实力的重要体现。复杂薄壁构件是航天装备最重要的主承载结构，如高超声速飞行器舱体、运载火箭箭体、航天发动机尾喷管等。这类复杂薄壁构件多服役于严酷的热机械耦合环境。以高超声速飞行器舱体为例，需满足飞行气动加热、再入大气层、高机动过载、超远程巡航等服役条件，要求具备超强承载、极端耐热、超高精度、超轻量化等特性。这些要求对传统结构设计提出了严峻挑战，特别是防热与承载独立、材料与结构分离的设计模式已无法充分挖掘材料和结构在不同尺度下的性能潜力，结构减重和性能提升面临技术瓶颈。因此，发展先进材料-结构一体化设计方法理论、突破多材料多尺度结构的整体制造技术瓶颈、准确描述和精确调控材料与结构的交互作用成为突破传统设计性能极限、实现高性能构件制造的关键。

近年来，国外高超声速飞行器、先进航天运载器飞行故障分析表明，航天薄壁构件热结构失效问题、结构维形失效问题、振动失效问题的根本原因均可归结于严酷热-机械耦合载荷环境下材料-结构-性能的不匹配设计。为了保证严酷服役环境下的结构防热、承载、振动等综合性能以及轻量化设计要求，必须从宏微观多尺度以及设计制造多层面深入挖掘材料-结构潜力，提升材料、结构、工艺等多种因素匹配设计水平。

西北工业大学张卫红院士团队在《航空学报》期刊中发表了《航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计》一文。本期谷.专栏将分享该论文的研究亮点。

论文链接：
https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2022.27428

研究亮点

本文主要回顾了近年来薄壁构件高性能设计与制造及其航天应用的主要成果，围绕材料-结构多尺度建模与性能表征、多材料多尺度结构设计与增材制造原理、增材制造材料性能与结构设计的交互作用机制等科学问题，就结构优化中的制造工艺约束建模，增材制造工艺参数对结构性能的影响，高性能构件材料-结构一体化设计方法及航天结构设计应用展开论述，并展望了未来典型航天薄壁构件材料-结构一体化设计和制造方法发展前景与应用，为未来相关研究工作和航空航天装备研发提供参考。

近几年研究团队在该方向上取得的主要研究成果如下：

1）制造工艺参数与结构协同优化设计。针对激光增材制造所导致的各向异性特征，提出了多工艺参数与结构拓扑的协同优化框架，通过物理实验和神经网络建立了工艺参数和材料性能的映射关系，结合工程需求建立了三种优化模型，用于设计材料性能和结构拓扑。结合神经网络和遗传算法，获得了近似各向同性的成形材料和对应的工艺参数组合，实现了工艺-结构一体化设计。相较于传统拓扑优化设计进一步提升了结构性能，如图1所示。

图1 增材制造工艺-结构协同优化

2）材料-结构一体化设计。为避免多尺度结构优化中重复进行微结构等效计算，提出了参数化点阵结构和代理模型的概念，即预先由一组参数控制生成一系列微结构样本库，并基于均匀化理论等效宏观力学性能，随后采用多项式插值建立微结构宏观性能与控制参数之间的映射关系。这一过程不仅与优化过程互相分离，而且可以重复应用于不同的优化问题中，显著提升了结构承载性能，同时有效的兼顾了设计自由度和计算效率，如图2所示。

图2 点阵-加筋混杂的材料-结构一体化设计

3）航空航天应用。针对易受振动激励影响的卫星天线结构，基于模态加速度法提出了动力学拓扑优化方法，在骨骼腔体仿生结构启发下，发展了结构拓扑-点阵构型的协同优化技术，实现了宏观结构拓扑和点阵填充样式的匹配设计。针对某卫星平台，在保证固有频率大于50 Hz的前提下，进一步将卫星设备组件布局集成到一体化设计模型中，在满足结构性能的基础上，实现减重32%的设计目标。针对高速飞行器防热-承载一体化设计需求，提出了由耐高温陶瓷基复合材料层、轻量化隔热点阵层和金属加强筋结构组成的多层热防护系统，并集成结构拓扑变量、点阵位置变量和点阵构型参数三种混合变量，对集成热防护系统进行一体化设计，有效提升了热防护效果同时降低了热应力。针对高超飞行器上的整体式舵面结构，提出了多尺度实体-点阵混杂结构优化设计方案，其静刚度和动力学性能均显著优于纯实体结构和纯点阵结构方案。

图3 面向航空航天的材料-结构一体化设计