优解未来 | 千里挑一，一场面向全球的发动机支架设计挑战赛
航空界有句名言，“为减轻每一克重量而奋斗”。以波音737飞机为例，起飞重量约65吨，若机身减轻一磅（大约454g），则燃油成本可减少数十万美元/年。GE（通用电气）航空也曾预估，从一架飞机推算到整个航空行业，减重一磅将节约燃油成本1000万美元/年。
减重通常有两种方式，一种是使用重量更轻、性能更强的先进材料来替代现有材料，另一种是对现有零部件进行轻量化结构设计。
GrabCAD是一个由100多万设计师和仿真师组成的在线社区，在世界范围内具有较高影响力。2013年，GE航空在GrabCAD发起了一场面向全球设计师的挑战赛——发动机支架轻量化结构设计，累计收到超过1000件参赛作品，第一名获奖作品减重约84%。
对于飞机发动机的关键部件，今天的设计师面临更多精细化设计挑战，一方面是强度和刚度的性能要求，另一方面是尺寸和重量。近些年，国外厂商开发了拓扑优化和生成式设计等新一代软件工具，以帮助设计师更快更好的进行零件结构设计。同时，增材制造正在消除传统制造的工艺限制，使设计师能够设计几乎任何形状，不会因为制造而牺牲性能。喷气发动机上的装载支架（见图1）起着非常重要的作用，既要支撑发动机的重量，又要保证不会断裂或翘曲。发动机上还有许多类似的承载部件，过往均是基于传统制造技术进行设计的，因此在重量和性能方面还有较大的优化设计空间，以使整个发动机显著减重。图1 GE发动机和支架模型
本次结构设计大赛，发动机支架需要满足以下要求：
① 材料选用Ti-6Al-4V（见表1），使用温度24℃
② 最小特征尺寸或壁厚不小于1.3mm
③ 接口要求
接口1：直径19mm的销钉（见图2），视为刚体
接口2~5：M10螺栓（见图2），视为刚体
④ 载荷条件（见图2）
工况1：静态轴承载荷35562N，垂直向上
工况2：静态轴承载荷37784N，水平向右
工况3：静态轴承载荷42230N，斜向上，与垂直方向夹角42°
工况4：静态扭转轴承载荷22226N，绕销钉的中点处旋转向内图2 载荷与约束
本次大赛的所有方案，均先开展仿真分析和性能评估，依据满足性能要求下质量最轻原则，选择前10名方案进行增材制造和测试考核，逐渐施加载荷至最大静态载荷，若出现破坏，则停止加载；若未破坏，则继续加大载荷直至破坏，记录最终的承载极限。评审团由来自通用电气和GrabCAD的5名专家组成。参赛作品仅接收 STEP 或 IGES文件，凡是不符合重量、尺寸和安装接口要求的设计方案，将被取消参赛资格。
本次参赛作品的提交有效期是2013年6月～11月，入围作品由通用电气航空3D打印，并交送通用电气全球研究（GRC）进行测试考核，前10名可获得奖金1000～7000美元。
GE发动机支架的初始模型重量为2052g，冠军Arie Kurniawan的参赛作品减重了约84%，仅为341.5g，且前10名参赛作品均减重在80%左右（见图3）。根据本文2.2节的设计要求，优解未来团队对4种载荷工况分别进行了拓扑优化设计，优化目标为最大化刚度，体分比为16%，对应的最优拓扑构型见图4。观察可知，每种工况下的传力路径都有较为明确的几何特征。
图4 单一工况下最优构型
通过加权系数方式对工况1、工况2、工况3和工况4进行工况组合，可获得数百种多工况方案（见图5，仅展示部分），深入探索组合形式对最优构型的性能影响。利用上述4种单一工况分别对多工况的最优构型进行校核，统计结果显示，工况1和工况2的权重系数大一些，更有利于降低最优构型的应力值。
根据多工况组合方案的统计结果，优解未来团队挑选了一款重量最轻且满足性能指标的最优拓扑构型（见图6）。利用4种单一工况分别进行强度校核（见图7），应力结果均满足Ti-6Al-4V材料的安全使用要求。此外，还进行了疲劳分析和屈曲分析，优解作品-A具有较高的使用寿命和失稳载荷。图6 优解作品-A
依据满足性能要求下质量最轻原则，大赛评审组对1000多件参赛作品，先通过仿真手段筛选前10名方案，再进行实物试验考核和最终成绩排名，印度尼西亚的年轻工程师M ArieKurniawan获得了2013年挑战赛第一名，主要依赖于新一代结构优化设计软件，而他没有任何航空设计经验（见图8，源自《How GE Plans to Act Like a Startup andCrowdsource Breakthrough Ideas》）。优解未来团队依据大赛的仿真要求，利用工况1、工况2、工况3和工况4分别进行了强度校核，统计结果详见表2，其中应力是指最大von-Mises应力，发动机支架在优化前的初始重量为2052g，单元类型和网格尺寸均一致，单元数量在100万左右，可满足高精度计算要求。结果显示，优解作品-A的重量为339.8g，4种单一载荷工况下的最大应力均未超过910MPa（屈服强度903MPa），性能优于大赛第一名获奖作品，且应力值降低16%～31%。
尽管这次挑战赛已过去近10年，但通过1000多件参赛作品可以看出（部分作品详见附图），全球结构设计师在作品上融入了各种奇思妙想，并应用了最先进的新一代结构优化设计软件，大赛作品展现出 “百花齐放” 的视觉盛宴。提升性能且极致减重，是航空/航天/汽车等领域的永恒追求目标，而现代工业产品面临更为复杂的精细化设计要求，需要充分考虑成本、工艺、性能、重量、周期等综合因素，仅凭设计师经验已难以胜任。新一代结构优化设计软件，集成了拓扑优化、AI人工智能、云计算、制造工艺约束等关键技术，达到设计、仿真、工艺和制造的一体化效果，满足 “设计即产品、设计即制造” 要求。
