基于增材制造的鹅颈铰链优化设计
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摘 要：新材料、新结构的研发需要先进的设计方法和先进的制造工艺的相结合。作为先进的设计方法，拓扑优化设计方法具有广阔的空间，为工程师提供有创造性的概念设计方案。该文以飞机上常见的鹅颈铰链为研究对象，利用INSPAIRE EVOLVE等商业软件对其开展拓扑优化、优化后处理和评估，探索航空零部件在初始设计阶段的拓扑优化流程，探索飞机结构减重新手段、新方法，获得创新优质结构构型。
关键词：增材制造 拓扑优化 变密度法 鹅颈铰链
中图分类号：TH137.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（b）-0072-02
拓扑优化可以在保证约束边界条件下，根据最优传力路径实现部件结构内部的材料“按需布置”，以达到满足约束条件下的最高效结构性能，目前已受到国内外学者及工程人员的广泛关注[1]。然而，拓扑优化结果几何构型复杂，采用传统制造工艺很难实现拓扑优化结构的制造成型，因此拓扑优化方法与实际工程结构设计及应用之间仍存在较大的鸿沟。
增材制造技术的出现，颠覆了传统制造技术的局限，使得这种复杂拓扑优化结构的制造成为可能。增材制造（additive manufacturing，AM）技术是一种以三维模型数据为基础的新型制造技术，目前已受到国内外研究机构的高度关注[2]。与传统的减材制造方式不同，它将材料通过逐层堆叠积累的方式构造物体，这种独特的制造方式可实现高度复杂结构的自由生长成形，极大地拓宽了设计空间，为新结构及材料的制备提供了强大的工具，同時也使得从微观到宏观多个几何尺度结构的制备成为可能，解决了传统结构设计受制造工艺约束的问题，设计者可以根据最高效的传力路径实现结构的拓扑优化，为设计人员实现“理想中”的最优方案提供了可能，极大地解放了设计自由度。
然而，增材制造并非完全“自由”制造，仍然存在独特的制造约束，主要包括以下几类结构最大/最小尺寸、支撑结构、制造缺陷（表面粗糙度、材料各向异性等）及连通性约束等[3]。
该文以飞机上常见的鹅颈铰链为研究对象，利用INSPAIRE EVOLVE等商业软件对其开展拓扑优化、优化后处理和评估，探索航空零部件在初始设计阶段的拓扑优化流程，探索飞机结构减重新手段、新方法，获得创新优质结构构型。
1 鹅颈铰链模型分析
1.1 几何模型
传统制造工艺下的鹅颈铰链结构通常顶端有耳片与铰链架相连，铰链座上有个钉孔，通过枚螺栓与主体相连。耳片与钉孔的位置是固定的。
1.2 载荷和约束
鹅颈铰链载荷如表1所示。
1.3 材料
该文优化设计所用钛合金材料的性能为：弹性模量E=100.3GPa，泊松比μ=0.31，密度ρ=4500kg/m3，屈服强度σ=903MPa。
2 优化结果及后处理
2.1 优化结果
该研究选择优化目标为“最大刚度”。在SolidThinking Inspire软件中运行拓扑优化分析计算后，得到了如图1所示的优化分析结果。该结构相比于原始的鹅颈铰链结构减重约37%，但此结构并不能用于工艺制造，需进行进一步的表面光顺和结构重构。
2.2 结构重构
采用传统的机械加工方式时，拓扑优化只是应用于结构的概念设计阶段，后续还需要进行形状优化和尺寸优化，以获得适合于机械加工的结构形式。增材制造工艺的发展，很大程度上突破了加工工艺的限制，使得拓扑优化结果可以作为结构的最终设计方案，而将拓扑优化的结果转化为最终的几何结构就变得尤为重要。
该研究中，针对优化后的鹅颈铰链结构，用SolidThinking Evolve软件进行表面光顺和几何重构，最终，获得的鹅颈铰链减重39%。
2.3 结果分析对比
完成几何重构后，对优化获得的结构进行静强度的对比评估，验证其是否满足约束条件，并与原始铰链结构进行对比，评价收益。
重量对比：原风扇罩铰链重1.23kg，优化后的风扇铰链结构为0.74kg，减重39%。
应力对比：除去应力集中，原构型最大Von Mises应力为201MPa，除去应力集中，拓扑重构后构型最大Von Mises 应力为191MPa。
位移对比：原构型最大位移为2.64mm，拓扑重构后构型最大位移为2.7mm。
由对比结果可以看出，优化后的结构应力的分布比原始结构更为均匀，说明传力更合理有效，材料对于传力的贡献效率更高。
3 结论与展望
轻量化的意义对航空航天也来说是不言而喻的，它决定着飞行器的运载能力，油耗水平、飞行性能，起降性能、运行成本等。例如，商用飞机每减少1kg，在其全寿命运营阶段可节约20余万元人民币。战略导弹固体火箭发动机第三级结构重量减少1kg，可增程16km，弹头重量减少1kg，可增程20km[4]。减轻重量的方式有很多，而拓扑优化设计是重要手段之一。
然而，受传统制造工艺的约束，根据最优传力路径设计出来的结构，很难将其制造出来，所以很多的传统结构往往有很多设计的冗余，不是结构效率最高的结构，增材制造技术可以释放原有制造方法带来的制造约束、加工工具的操作空间和通路，也使得设计人员抛弃可制造性的担忧，可极大地发挥结构设计的优势，大大拓宽可设计空间，为将材料应用到最佳位置提供了可能。
文中的工作打通了典型的民机金属次承力结构的优化-分析流程，但后续还需要对结构、材料、疲劳、耐久性等进行试验验证。
参考文献
[1] Liu ST， Hu R， Li QH， et al. Topology optimization-based lightweight primary mirror design of a large-aperture space telescope[J].Applied Optics，2014，53（35）：8318-8325.
[2] 吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造[M].北京：电子工业出版社，2014.
[3] 刘书田，李取浩，陈文炯，等.拓扑优化与增材制造结合：一种设计与制造一体化方法[J].航空制造技术，2017（10）：26-31.
[4] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.
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