航空航天结构轻量化设计与实验方法研究进展.docx

    航空航天结构轻量化设计与实验方法研究进展    王 博，郝 鹏，田 阔，马祥涛，冯少军(大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室，大连 116024)0 引 言随着航空航天装备朝着重型化、高承载和高机动等方向发展,其承载结构轻量化设计与高承载效率之间的矛盾日益突出轻量化是航空航天结构设计的关键,美国NASA将降低飞行器结构质量、增加有效载荷的质量、提高任务性能作为顶级技术挑战之一[1]薄壁结构与连接结构是航空航天结构中两大类主要承载结构形式,本文围绕以上两类结构开展轻量化设计方法介绍加筋结构是航空航天薄壁结构中的典型承力结构形式,大部分飞机机身与运载火箭的承力部段均采用该结构形式[2]目前薄壁加筋结构减重方式主要包括:采用先进优化算法进行筋条布局优化[3];采用拓扑优化算法指导加筋构型设计[4];考虑缺陷对薄壁结构影响开展鲁棒性优化设计[5]夹层结构是另一种具有高承载效率的结构类型,因其比强度、比刚度大,易于实现热控、吸能、防护等多功能特性而被广泛应用于航空航天结构,如飞机机身与舱门[6]、卫星承力筒与接口支架[7]、火箭整流罩等[8]当前,夹层结构的性能提升主要是对夹芯层的单胞结构与参数进行优化,从而获得性能更佳的结构类型,达到减轻重量的目的。

连接结构是航空航天装备中传递载荷的关键结构,起着承受大载荷集中力、固定被连接结构、主动分离等关键作用[9]以新一代航天运载装备为例[10],其单点捆绑设计载荷高达千吨,且捆绑点附近存在分离需求,导致了极高的集中力扩散及分离面变形协调等设计要求为突破上述设计难点,研究人员和工程师针对连接结构其本身传力设计及区域应力调控问题分别开展了研究,提出了传力路径设计[11]、集中力扩散拓扑设计[12]等方法此外,随着制造工艺的进步,特别是近年来增材制造技术的发展,其技术也在连接结构轻量化设计领域得到了应用与验证如长征五号运载火箭芯级捆绑支座采用钛合金增材制造,较原设计减重30%[13]在设计理论层面,结构优化是支撑重大装备研制和创新设计的重要工具,近年来受到了学术界、产业界的极大关注经过长期的理论、设计方法、设计准则与试验验证研究,已经积累了包含拓扑优化[14]、形状优化[15]、尺寸优化[16]、代理模型优化[17]等优化技术的丰富研究成果本文围绕薄壁结构与连接结构两类主要承载结构设计方法开展论述,并对未来轻量化设计技术发展方向进行展望1 薄壁结构轻量化设计薄壳结构因其高比刚度、比强度的优点,常作为装备的典型主承力构件,广泛应用于火箭级间段、燃料贮箱、飞机机身、飞船密封舱等。

屈曲失稳通常是这类结构的主要失效模式本节围绕虑及后屈曲行为的薄壁结构设计、计及缺陷敏感性的薄壁结构鲁棒性设计与新型轻质薄壳结构设计开展介绍1.1 虑及后屈曲行为的薄壁结构设计方法图1 局部屈曲与后屈曲对比图Fig.1 Comparison of local buckling and post buckling近年来,针对薄壁结构后屈曲承载性能,学者们采用各种数值分析方法开展了一系列研究,主要包括Koiter法、隐式动力学方法、弧长法、显式动力学方法等其中显式动力学方法应用最为广泛,可模拟结构从线性屈曲到非线性后屈曲直至压溃破坏的全过程国内外学者分别针对复合材料加筋板[19]、蒙皮桁条结构[20]、加筋薄壳结构[21]开展了后屈曲分析与优化研究然而该方法存在分析效率较低的不足一方面,加筋、夹层等复杂薄壁结构参数化建模困难,且当有限元模型规模较大、自由度达到几十万甚至上千万时,后屈曲分析计算成本巨大;另一方面,传统优化算法需要反复调用仿真分析高昂的计算成本使得大部分设计工作都是基于等效模型开展[22-23]但等效模型的适用条件较为苛刻,一般只适用于单胞密排、均匀边界条件与周期性边界条件,且只能进行整体屈曲性能分析。

针对复杂设计特征造成的设计空间维度爆炸问题,以及薄壁结构复杂后屈曲行为造成的高计算成本问题,学者们从周期性结构等效性能表征、布局变量关联、低维子问题逼近、层次自适应代理模型等角度发展了系列创新算法,形成了一系列极具特色的连续分步优化格式来逼近全局最优解[24-28]其核心思想为通过建立序列设计空间自适应调节机制,将高维优化问题连续降维为若干基于等效模型的子问题优化,获得具有一定拥挤度的精英种群解集,进而基于变保真度代理模型开展精细的非线性局部优化1.2 计及缺陷敏感性的薄壁结构鲁棒性设计舱段大型化导致初始缺陷难以避免,其后屈曲承载会对初始缺陷敏感而大幅折减,这种随机缺陷影响下的后屈曲临界承载力分析是公认的结构力学世界性难题20世纪60年代,NASA基于大量筒壳试验结果,利用半经验法给出了NASA SP-8007“折减因子设计规范”但大量试验结果表明,随着加工工艺的改进和质量控制经验的累积,早期折减因子建议值显得愈发保守,并且忽略了不同结构设计对缺陷敏感性的影响[29],导致结构承载效率无法有效发挥,也会导致运载火箭贮箱重量的大幅增加目前主流薄壁结构缺陷敏感性数值分析方法包括:实测缺陷方法[30]、模态缺陷方法[31]、单点扰动载荷法[32]、多点最不利扰动载荷法[33]和能量壁垒法[34]等。

通过提升折减因子的求解精度,可以一定程度上减轻冗余不仅如此,除了被动地挖掘减重设计空间,还可以在设计过程中考虑结构构型的缺陷敏感性,通过同步提升结构的屈曲载荷与抗缺陷能力,实现面向缺陷容忍的筒壳结构设计,主动地挖掘轻量化设计空间针对这个目标,学者们开展了大量研究Wag-ner等[35]提出了一种基于决策树的机器学习模型,以优化复合材料圆柱体的铺层,从而实现屈曲载荷和抗缺陷能力的同步提升文献[36-39]开展了大量关于薄壳结构缺陷敏感性分析及设计的研究工作,并指出筋条的多层级布置能够有效抑制局部失稳波的转移与扩散,从而提升了结构的抗缺陷能力(如图2所示)随着航空航天结构的更新迭代,如何在结构设计初期凭借有限试验数据甚至无数据的迁移学习开展薄壁结构缺陷敏感性分析与设计,是十分具有挑战性的科学难题图2 多级加筋圆柱壳Fig.2 Hierarchical stiffened cylindrical shells1.3 新型轻质薄壁结构设计航空航天装备中薄壁结构除了需要考虑屈曲承载性能,还需要考虑刚度调控、隔热、减振、吸波、抗疲劳等多功能需求[40]随着材料科学与加工制造等行业发展,以曲线加筋结构、夹层结构、复合材料结构为代表的各类新型轻质薄壳结构得到了广泛的研究与应用,如图3所示。

一位校长问询：引进一位骨干教师原本很优秀，引进后因至亲亲人长期生病，护理和治疗受拖累，工作无法进入状态，直到失去亲人却难以启齿，只表示今后会好好为学校工作，很担心她最终会顶不住，又不知如何帮她走出来曲线加筋通过合理的刚度调控可以实现板壳面内应力的重分配与传力路径控制Kapania等[41]指出曲线加筋布局设计相当于对无限个小直筋的定向、间距及位置进行自由放置,增加了结构的设计空间Aage等[42]利用超级计算机对全尺寸飞机机翼内部结构开展了千兆像素级分辨率的拓扑优化设计,结果证实了曲线加筋布局的使用可以将结构的总重量至少减少2%～5%文献[43-44]提出了复杂变刚度板壳(曲筋增强/曲线纤维增强)智能设计系列方法,构建了图像空间下结构性能智能预测框架,破解了设计变量的维数灾难瓶颈针对曲面上曲线加筋建模需要进一步考虑坐标变化关系与筋条可制造性石鹏[45]建立了表征筋条切线方向、测地方向和法线方向的局部坐标系,进而表征曲线加筋的布局信息Tian等[46]通过定义背景网格域和目标网格域,基于数据驱动技术训练映射关系实现了异形筒壳高效建模图3 新型轻质薄壁结构Fig.3 New lightweight thin-walled structures夹层薄壳结构是另一种重要的轻质多功能结构,其主要由上下面板与不同的芯体(格栅、点阵、蜂窝、波纹和褶皱)构成。

这种结构形式不仅增大了夹芯的惯性矩,而且提高了夹层的比刚度,使得夹芯薄壳结构具有质量轻、弯曲刚度大等优点同时,夹芯结构还能够兼具不同的功能性,如结构散热[47]、振动控制[48]、吸能[49]等性能多样的芯体形式和丰富的功能特性,为夹层薄壳结构带来了更优异的可设计性,促进了未来薄壳结构向轻量化、多功能化和智能化发展在材料技术方面,复合材料制备技术的进步,纤维自动铺放技术的出现,使得变刚度复合材料板壳结构的制造成为可能变刚度复合材料板壳结构铺层设计主要通过纤维角度、铺层数量/厚度、铺层顺序等结构刚度相关设计因素在空间的非均匀分布实现复合材料板壳结构的变刚度设计Rouhi等[50]与孙士平等[51]指出单一工况下优化后结构比准各项同性板壳结构性能更加优异在加筋薄壳结构的基础上,Pitton等[52]将神经网络和粒子群优化器相结合用于纤维铺层路径优化,提出了变刚度复合材料加筋结构设计Hao等[53-54]构建了精确几何驱动的变刚度板壳结构建模/分析/设计统一框架,提出了以多水平自由变形技术(MNFFD)为核心的薄壁结构几何建模方法总体来说,由于复合材料本身具有多尺度效应,且复合材料破坏模式多样,如何兼顾分析精度、加工工艺与整体承载效果仍然是十分具有挑战性的难题。

2 连接结构轻量化设计连接结构轻量化设计难点在于连接部件结构设计对连接区的耦合作用效果显著,需要对连接件与被连接区域进行同步设计[55-56]本节围绕连接结构传力设计及区域应力调控展开介绍,如图4所示2.1 传力路径引导的连接结构轻量化设计传力路径引导的结构设计方法是指通过设计连接结构拓扑及装配形式,使得载荷的传递方式与结构的服役状态一致,从而满足结构性能要求的设计方法20世纪90年代,学者通过引入载荷传递分析的概念,提出广义结构刚度指标,量化载荷从作用点起到边界约束为止的路线,并应用于车辆工程的结构设计之中[57]梅勇等[58]针对火箭捆绑装置开展了传力路径优化设计研究,大幅优化了捆绑联接结构载荷为了规避结构细节尺寸的影响,陈磊等[59]引入结构承载因子对飞机加强框结构的传力路径进行了优化设计,该方法仅需要考虑结构外形和载荷,有效降低了工程问题复杂度近年来,伴随先进制造技术发展,复杂连接结构的生产制造成为可能[60],在保证结构传力性能的基础上,创新的连接结构设计可以满足结构阻热、抗振、局部变形协调等多种精细化功能指标为实现上述创新连接结构设计,学者们开展了制造约束和目标评判方案面向创新连接结构的制造可达性研究,文献[61-62]考虑增材制造的工艺约束开展了多种满足制造特征的拓扑优化方法研究。

Li等[63]通过赋予结构虚拟温度场并限制虚拟温度指标实现结构连通性面向功能指标,王雁等[64]针对航空发动机油箱支架的承载特性提出了局部刚度指标,优化设计实现了最大应力的大幅降低基于传力路径的结构设计方法与力学设计的“满应力准则”较为契合,因此可以获得符合传力需求的创新构型2.2 区域应力调控的连接结构设计中国研究人员在早期航天器设备设计中已经认识到连接结构对区域应力调控的重要性东方红卫星平台通过回转曲面对接环实现主星载荷与推进舱载荷的均匀调控近年来,伴随着航空航天装备大型化、承载重型化的结构趋势,局部强度、轻量化问题和区域应力调控之间矛盾越发突出[65]为解决上述问题,学者们主要从一体化结构设计和集中力扩散设计两方面展开研究一体化设计通过先进制造技术,将部分部件联合进行优化、设计和制造,从而避开了不同部段间相互影响的问题谷小军等[66]针对运载火箭发动机机架与舱段传力结构,考虑推力载荷的有效传递、重型运载火箭发动机机架与舱段传力结构之间的耦合影响,开展了联合最优传力路径分析及结构优化设计范瑞祥等[67]针对发动机的推力传递结构轻质化。