DfAM專欄 | DfAM思維和航空航天“碰撞”出絢麗火花

安世亞太

2021年10月21日 15:13

DfAM專欄 | DfAM思維和航空航天“碰撞”出絢麗火花的圖1

航空航天代表著人類科學技術的最高水平，也體現著人類設計理念的最新動態。通過增材制造技術+增材設計（DfAM）思維，可以為航空航天帶來前所未有的設計理念。本文通過幾個案例，為讀者展現DfAM設計思維和航空航天行業相契合時所碰撞出來的火花。

基于DfAM理念的

拓撲優化機翼設計

丹麥技術大學機械工程系副教授 Niels Aage 將一個27m長的機翼劃分為11億個單元，用8000個CPU優化了5天時間，終于拓撲優化出來一個讓業內一直津津樂道的作品——拓撲優化的全尺寸機翼。該成果以《Giga-voxel computational morphogenesis for structural design》為題，發表于《Nature》雜志。

上圖為基于DfAM理念的拓撲優化機翼內部結構（機翼的下半部分），以梁結構和類桁架結構為主。

傳統機翼結構是一種典型的盒段結構，由梁、肋、長桁和蒙皮組成。最外層的蒙皮為非設計空間，不做拓撲優化，內部所有空間為可設計空間。在優化時一般會把可設計空間填充為實體，拓撲優化過程也就是去除不需要的材料的過程。

Niels Aage分析了攻角分別為0°和4°時2種典型工況的載荷。上圖中a為獨立計算攻角0°時的結果；b為獨立計算攻角4°時的結果；c為同時計算攻角0°和4°時的結果；d為同時計算攻角0°和4°及發動機重量時的結果。

與現有的機翼相比，拓撲優化后的機翼要輕 2-5% 左右。大約減重200-500kg。

盡管在優化時按照整體27m長度的結構來設計，但是受限于當前3D打印機的尺寸限制，作者只是打印了縮比驗證部段。

最后作者發現，拓撲優化整體機翼的內部結構，與鳥嘴骨骼的內部結構有異曲同工之妙。鳥類在長期的進化過程中，優化出了既能滿足承受進食時載荷，又適應飛行的輕量化骨骼。這個過程與拓撲優化機翼的過程可謂殊途同歸。

基于DfAM理念的

火箭發動機結構設計

3D打印工藝對零件復雜程度不敏感，可以實現復雜結構、中空結構、點陣結構的低成本制造，為設計師實現復雜的輕量化結構提供了制造可行性。

莫納什大學的科研團隊通過金屬3D打印設備和輕量化結構的設計思路，對火箭發動機零件進行了輕量化設計，在火箭壁內填充了點陣結構。這種結構不僅能大大降低結構的重量，而且具有良好的防隔熱效果，是未來3D打印結構設計一個非常重要的發展方向。

制造復雜內流道是3D打印的另一個拿手絕活，3D打印可以實現結構內部流道在一定程度上任意變化方向、變化直徑或者變化截面形狀。

GE公司制造的飛機發動機燃油噴嘴在3D打印工業化進程中具有重要的里程碑意義，該產品已經實現了年產30000件的目標，是第一個實現大規模生產的3D打印產品。在火箭發動機領域，Aerojet Rocketdyne公司AR1火箭發動機的主噴油嘴也采用了同樣的DfAM設計理念。

AR1是一款正在開發中的50萬磅推力級的液氧/煤油發動機，其主噴油嘴是完全使用選擇性激光熔化（SLM）技術制造的，3D打印被證明能夠以與傳統制造技術相比很低的成本快速制造出復雜的發動機零部件。僅在主噴射器一項，3D打印就把零部件的交貨時間減少了9個月，并降低了70%的成本。

基于DfAM理念

的全機一體化設計

歐洲飛機制造商“空中客車”公司公布基于DfAM設計理念的“透明客機”概念方案。這架充滿夢幻色彩的概念飛機極為復雜，完全打破了傳統制造方法的桎梏，從弧形機身到仿生結構，再到能讓乘客一覽藍天白云的透明蒙皮。根據空客公司公布的計劃，這架夢幻飛機將在2050年變成現實，到時候整個生產車間就是一臺巨型3D打印機，整個機身都由3D打印制造。

空客表示透明客機的機艙將采用仿生結構，模仿鳥骨以提高強度減輕重量，這種結構賦予承力部位更大的比強度。透明艙壁膜用于控制空氣溫度并呈透明狀，讓游客欣賞到全景。

乘客們可以通過機艙兩邊以

及機頂 360°觀看天空中的景觀

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艙壁膜控制空氣溫度同時呈透明狀，

讓乘客全天候欣賞到美麗的空中景色

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透明客機夜晚飛行時的景象

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乘客可以在互動區玩虛擬高爾夫球

不僅民用飛機可以如此科幻，戰斗民族的DfAM思維和想象力也可以天馬行空。2019年7月29日，蘇霍伊設計局誕生80周年，這家舉世矚目的戰斗機研發機構公布了經過DfAM拓撲優化分析后的蘇-57結構模型。“蘇-57”是俄羅斯的第五代戰斗機，該拓撲優化模型很可能代表著蘇-57戰斗機的終極形態。

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3D打印蘇-57模型

目前，3D打印憑借其獨特的技術優勢，正在航空航天行業實現跨越式的發展，過去依靠傳統制造難以實現的復雜幾何結構、輕量化結構、一體化結構，在以靈活著稱的3D打印面前不再是問題，因此基于增材制造的設計（DfAM）思維顯得尤為重要，只有從工藝上、技術上、思想上、理念上拋棄固有思維的束縛，我們航空航天設計師的設計能力和創新能力才能被徹底激發出來。（文章首發于仿真秀 A pp ）