摘要：轻量化是航空航天装备研发领域永恒的主题,它对装备的综合性能和服役效能具有决定性影响。在过去的数十年里,一系列高性能优化设计方法、新材料和制造工艺技术的研发和应用,不断推动航空航天装备轻量化水平的提升。然而,随着新一代装备对综合性能和多功能需求的不断增加,现有的轻量化设计制造技术正面临着日益严峻的挑战。因此,本文重点探讨了航空航天装备研发的总体设计、机电系统设计、材料与结构、高性能制造与装配等主要环节,并分析了轻量化技术在未来的发展趋势。

摘要：本文研究了广义周期点阵结构等效力学性能的均匀化计算问题,提出了计算等效弹性矩阵、等效热应力系数与热膨胀系数的均匀化映射方法,将广义周期均匀化问题映射转换为正方形单胞的经典周期均匀化问题,以此揭示了广义周期均匀化方法的内在映射机理,阐明了广义周期均匀化等效性能的基本性质.该方法极大降低了计算求解与编程难度.通过典型数值算例,分析比较了广义周期均匀化映射方法、经典周期均匀化方法与精细尺度有限元方法计算结果的差异.结果表明所提出的映射方法普适性与有效性强,对于静力学、热力耦合问题及动力学固有频率问题均具有良好的计算精度.

摘要：加筋壁板是飞机机身和机翼中常见的典型承力结构,其在轴压和机身弯矩载荷作用下极易发生屈曲失效,严重制约飞行器安全性能与服役周期。飞机结构静强度校核时多采用经验公式进行工程计算,其中加筋壁板结构承载能力的工程计算与机身框结构端部支持系数的选取密切相关。现有飞机型号研制中端部支持系数的选取通常较为保守,结构安全裕度大、质量冗余,阻碍了飞行器轻量化水平的进一步提升。为此,首先基于欧拉长柱失稳理论,建立了基于切缝法的典型飞机壁板结构端部支持系数仿真计算模型;同时深入分析了端部支持系数与加筋壁板结构和支撑框段的耦合作用关系;进一步地,分析了框、长桁等结构特征参数对端部支持系数的影响规律,并分别开展了框、长桁-蒙皮以及框-长桁-蒙皮协同优化的飞机壁板结构抗屈曲设计;最后,基于增材制造缩比样件和轴压屈曲试验,验证了典型壁板结构抗屈曲优化设计方法的有效性。所建立的仿真分析模型和优化设计方法实现了飞机壁板结构抗屈曲性能的有效提升,对进一步提升飞机性能指标具有重要意义。

摘要：针对某型发动机外涵道机匣的极致轻量化设计需求,首先以结构刚度最大化为目标,开展了薄壁机匣结构复杂工况下的加筋布局拓扑优化设计;进一步考虑机匣服役工况下的屈曲稳定性要求,系统性研究了工程常见4种加筋构型与结构抗屈曲性能的关联关系;最后,考虑制造工艺约束,建立了外涵道机匣的周期性加筋参数化模型,综合结构刚度、强度和稳定性要求,构建了基于加筋应力水平和结构抗屈曲性能等的综合优化设计目标,并开展了加筋尺寸优化设计。优化得到的外涵道机匣加筋设计方案较原始设计模型减重近40%,与1.3 mm等厚机匣相比,不仅满足结构刚度与强度设计要求,同时实现了结构外部压强临界屈曲载荷212.9%的提升,有效保障了发动机机匣严酷载荷工况下的服役稳定性。

摘要：结构的动力学响应设计是复杂装备设计与制造过程中一个不可回避的问题。针对复杂舰载天线座结构的设计需求提出了考虑动力学响应的拓扑-自由尺寸协同优化设计方法。以加权频率最大化为目标函数,简谐激励下结构的应力幅值为约束,构建协同优化模型并推导目标函数以及约束函数的灵敏度信息。针对复杂天线座结构板壳实体混合模型,进行协同设计,由拓扑优化结果确定内部材料分布,自由尺寸优化结果确定壳体的大致厚度分布,并在考虑工艺性基础上进行精确尺寸设计。随后对优化模型进行重构并分析校核。采用协同优化方法能够有效减少设计过程中的反复迭代,提升设计效率。设计结果表明,该方法能够显著提升结构的固有频率,大幅降低最苛刻工况下结构最大应力、位移幅值,实现性能更为优异的天线座结构设计。

摘要：声子晶体是一种具有声子带隙的周期性结构,通过对其带隙的动态调控设计,进而满足航空航天领域中重大装备对减振降噪性能的特定需求.文章在声子晶体的带隙设计中,引入智能材料,采用拓扑优化方法,开展多功能声子晶体带隙动态调控设计.首先采用有限元方法分析声子晶体的带隙性能,并建立形状记忆合金的温度本构关系模型;其次基于变密度法的拓扑优化方法,在满足特定体分比及强度约束、保证声子晶体单胞之间的连接性约束条件下,以相对带隙最大化为目标函数建立声子晶体带隙设计优化模型;最后根据改进的材料插值模型,分析求解设计灵敏度,采用移动渐进法开展多功能声子晶体带隙结构的拓扑优化设计.优化结果表明:在XY模式下形状记忆合金从马氏体转换到奥氏体带隙拓宽了103.9%,在Z模式下带宽增大了3.75倍.研究结果为声子晶体在复杂环境下实现更为主动带隙调控提供了一种有效的设计方法.

摘要：系统地开展了高速飞行器大面积热防护部位用轻质高效防热涂层烧蚀机制与性能预报方法研究。利用石英灯辐射加热设备,开展了硅橡胶基涂层的高温热环境考核试验,分析了高温下材料微结构演化规律,阐明了烧蚀防热机制。考虑材料烧蚀、相变、扩散等过程引起的多种吸热机制,基于质量和能量守恒原理,结合边界层空气动力学关系和材料内部热传导方程,建立了硅橡胶基涂层的烧蚀和热响应耦合预报模型。模拟了硅橡胶基防热涂层典型热环境工况下的表面烧蚀和内部传热过程,获得了材料内部的热响应特性,分析了硅橡胶基涂层的防热、隔热性能,预报值与试验值吻合较好,证明了模型的准确性。本模型可用于烧蚀型防热涂层精细化设计与性能预示。

摘要：分析了严酷载荷工况下航空发动机外部系统支架的力学性能,以两种极限载荷工况下的支架柔顺度为目标函数,采用增材制造材料横观各向同性模型,开展了面向增材制造的外部系统支架拓扑优化设计与性能校核。金属激光增材制造样件的力学试验表明:面向增材制造的支架设计较初始结构质量减小约15%,刚度增大约20%,一阶固有频率提高约15%,结构强度显著增大。该方案实现了1个外部系统支架、2个管路支架和4颗铆钉的一体化增材制造,有效提升了发动机装配质量和效率,顺利通过地面静载和发动机点火试验。

摘要：研究了循环对称结构多尺度拓扑优化问题,阐明了均匀化等效性能的基本性质,提出了循环对称单胞的特征参数概念,建立了均匀化映射计算方法,构造了等效性能的三元参数插值模型,有效简化了不同特征参数、微结构构型与体分比下的单胞均匀化等效过程。通过微结构的特征驱动建模与B样条参数化,克服了微结构拓扑优化变量多和变量离散难以保证其光滑连接的问题。给出了典型数值算例,比较了等比例排列单胞与等间距排列单胞对结构优化结果的影响,验证了多尺度优化方法的有效性。

摘要：目的满足临近空间飞行器对结构/热防护系统质量指标的苛刻要求,研制兼具轻量化与高效防隔热/承载一体化的热防护结构及系统。方法根据临近空间飞行器承力和防热两方面的要求,设计一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护结构,采用地面高温环境试验,考查复合材料一体化热防护结构的抗烧蚀性能。建立一体化热防护结构的热响应和力学响应预报方法,以某飞行器机翼为研究对象,开展一体化热防护结构在机翼部位的应用研究,利用有限元方法进行热力耦合分析。结果一体化热防护结构高温热暴露后表面出现热解,但结构性能保持良好。结论设计的一体化热防护结构满足防热和承载两方面设计要求,是新一代飞行器的理想热防护方案。