601所王向明院士丨基于增材制造的新型战机结构创新

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摘要：基于传统制造技术的“经典” 结构质量大、疲劳薄弱部位多，难以满足未来战机的研制需求。基于增材制造技术特征优势开发的创新结构（三维承载整体结构、仿生构型结构、梯度金属结构、微桁架点阵结构）突破传统结构的束缚，具有轻量化、长寿命、低成本等特征，可大幅度提升机体平台品质，为未来新型战机研制提供有效的技术途径。本文以燃油管接头、环形散热器、三维框梁整体结构为例，阐述增材新型结构设计制造一体化开发全过程；对比原传统制造方案，可取得大幅度减重、成品率提升、疲劳薄弱部位减少等显著效益。此外，还探讨了光纤传感、建筑工程结构等跨领域技术对战机结构创新的借鉴意义。

关键词：战机结构；构型创新；增材制造；设计制造一体化

引言

机体结构是战斗机的载体平台，由数万个零件组成，对设计和制造要求高，其品质直接影响战机的飞行安全和作战任务完成能力，是先进战机的“根”。历经数十年发展，喷气式战机已达第四代，机体结构正在由传统设计制造向先进设计制造技术方向发展。目前战机机体结构已出现瓶颈，主要体现在超重、开裂等问题上，难以满足新一代飞机的研制要求，制约新型战机发展，各国都在寻找解决瓶颈问题的技术方案。近年发展起来的增材制造技术具有可成形复杂结构、定制化制造、周期短等优势，已具备制造战机结构应用潜力，为突破机体结构平台瓶颈提供了技术可能。

战机结构现有瓶颈与发展需求

战机机体结构发展经历

在飞机设计领域，有一个基本共识——“ 一代飞机、一代技术” 。每一代战机，在其研制要求牵引下，对该时期相关技术的最高水平进行综合应用，包括设计、材料、制造、实验、使用维护等方面，该代飞机的技术特征与当时的飞机研制需求息息相关。而每一代跨代战机的出现，其研制需求都会大幅度提高，因此也会牵引着相关技术出现跨越式发展。从 1940 年第一代喷气式战斗机问世以来，至今已发展出四代战斗机，各代战机机体结构平台的设计、材料、制造技术差异显著。

第一代战机是亚音速飞机，结构类型多以半硬壳式结构为主，材料主要是铝合金和合金钢，代表机型有佩刀“ F-86” （美国，1945 年设计，1947 年首飞，1949 年装备部队）。第二代战机强调高空高速性能，开始出现蜂窝结构和整体金属壁板等结构类型，材料仍然以铝合金和合金钢为主体，制造工艺多用铆接进行装配，代表机型有幻影“ MirageF1” （法国，1964 年设计，1966 年首飞，1973 年装备部队）。第三代战机的设计特征是高空、高速、高机动性，结构类型有铝合金整体壁板、复材整体壁板、金属或复材蜂窝结构、超塑/扩散连接结构、焊接结构等，铝合金和钢比例下降，钛合金与复合材料开始应用。代表机型侧卫“ Su-27” （苏联，1969 年设计，1980 年首飞，现仍服役）。第四代战机特征是高隐身、超机动、超音速巡航，结构类型基本没有变化，复合材料、钛合金、铝锂合金等比强度、比刚度高的轻质材料广泛应用，传统铝合金和合金钢用量明显降低。代表机型猛禽“ F-22” （美国，1986 年设计，1990 年首飞，2002 年交付，2004 年形成战斗力）。

战机结构研制技术瓶颈

传统战机结构与传统的制造和装配技术紧密关联，主要采用车、铣、磨等减材方式和铸造等等传统战机结构与传统的制造和装配技术紧密关联，主要采用车、铣、磨等减材方式和铸造等等材方式进行制造，装配采用刚性工装和模具，通过螺接、铆接将结构构件组合在一起，战机结构的传统制造技术工艺过程如图 1 所示。

由于受到传统制造技术的制约，传统机体结构已形成固化的经典构型。传统结构的核心特征就是“ 离散” ：第一，战机结构采用横平竖直的布局方式，传递载荷路径不直接，造成质量冗余；第二，战机部件采用机械连接对合方式，全机存在几十处、甚至上百处集中接头，不可避免出现应力集中、连接区超重的现象；第三，机体结构采用大量机械连接进行装配，一架飞机有几十万个连接件和孔，存在大量的疲劳薄弱环节，易开裂；第四，因为离散装配的原因，全机具有几千条缝隙，机体表面具有非常多的阶差和沟槽，产生大量次级散射源，隐身能力难以进一步提升；第五，结构零件构型简单、材料单一，为适应机加工艺形成板杆构型，材料功能单一，每个结构件均由单一材料组成，应力水平的不均匀，造成材料性能的浪费。传统结构正是由于“ 离散” 的特征，因此产生固有问题——质量大、易开裂、隐身差、占有空间大、结构效率低。美国的四代机同样也具有上述问题，如 F-35 系列飞机超重达到 640～900 kg，F-22 战机开裂问题明显，美军方投入 3.5 亿美元进行抗疲劳改进。发展至四代机，传统结构使得战机出现“ 设计极限”——结构质量系数 28%、使用寿命 8000 飞行小时，传统结构已遇到瓶颈。

图1 战机结构传统制造技术

新一代战机结构需求

第五代战机、制空无人作战飞机等新一代战机向高隐身、高生存力、强态势感知、热环境方向发展，整体趋势是外形更薄、受载更大、使用更严酷、环境更复杂、隐身要求更高，对机体结构提出了跨越式提升的苛刻要求。新一代战机机体结构需具有轻质高效、长寿命、多功能、低成本、快速响应的特征，而基于传统制造技术的传统结构已无法满足上述要求，新一代战机效果图如图 2 所示。

图2 新一代战机效果图

基于增材制造的结构创新

传统结构来源于传统的制造方式，与传统制造方式相契合，现在则受到其束缚制约。下一代战机机体结构创新突破的关键，就在于充分发挥新的先进制造技术的特征优势，基于以增材制造技术为典型的先进制造技术创造出不同于传统构型的全新结构构型。

增材制造技术

增材制造又称 3D 打印，在高性能金属构件制造方面，是以合金粉末或丝材为原料，通过高能量热源（激光、电子束、电弧等）冶金熔化并快速凝固的方式进行逐层堆积的制造技术。不同于传统减材和等材的制造方式，增材制造依托数字化模型以生长的方式进行成形制造，具有可制造复杂结构件、无需模具、材料利用率高、可根据需求快速定制制造等特征，常见的增材制造方式见表 1。

表1 常见的增材制造方式

增材制造以热源、材料、成形方式不同，可分为立体光固化（vat photo polymerization，VP）、材料喷射（material jetting，MJ）、黏结剂喷射（binder jetting，BJ）、粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）、材料挤出（material extrusion，ME) 、定向能量沉积（directed energy deposition，DED）、薄材叠层（sheetlamination，SL）等类型。金属零件的增材制造技术主要有粉末床熔融、定向能量沉积、黏结剂喷射三类。其中粉末床熔融主要有激光选区熔化（selective laser melting， SLM）和电子束熔化（electron beam melting，EBM）两种工艺，定向能量沉积主要有激光近净成形（laser engineered net shaping，LENS）、电子束熔丝成形（electron beam forming，EBF）、电弧熔丝成形 (arc fuse forming，AFF ) 等工艺类型，黏结剂喷射主要有金属微滴喷射技术。

基于增材制造技术，可将设计与制造进行高度融合，构造出全新的结构形式，使其具有轻量化、寿命长、成本低等优势命长、成本低等优势。相对于传统制造方式，增材制造可规避如板材厚度、棒材规格等限制，以及生产装配复杂模具工装、长时间的机加周期、固化难等诸多制约，可适应快速更改迭代的工艺设计与巨大的生产投入。

增材制造可以根据设计的更改快速更改工艺模型，实施制件生产，可以用粉末或丝材生产不同尺寸的制件而不受原材料尺寸规格限制，可以近净成形以大幅度减少机加工作量，可以自由生产小批量、几件甚至单件的制件以减少生产投入和周期，图 3 为增材制造生产的典型结构实例。相比传统制造技术，增材制造主要的优势在于可以生产形状复杂、不规则的制件，甚至可以制造传统机加无法加工的微观结构和内部结构。增材制造的这个优势可以制造之前无法实现的结构构型，为突破传统结构构型束缚，创造全新结构构型提供制造技术手段。

图3 增材制造生产的新结构件：(a）摇臂；（b）防火墙；（c）前缘

基于增材制造技术的创新结构

相对于传统结构的离散、板杆构型、材料与承载功能单一等特征，新一代战机的新型结构特征可归结为“四化”（如下图）——大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化、结构功能一体化。围绕“四化”方向，可构建全新结构型式，如三维承载整体结构、仿生构型结构、梯度金属结构，以及微桁架点阵结构等。

典型“四化”新型结构

三维承载整体结构是将若干各自独立的结构件整合成整体，通过增材制造一次性成形，把传统平面结构的二维承载改变为三维承载方式。该类结构可大量消除原有的工艺分离面，有效减少结构传载“分散-集中-分散” 情况，优化载荷传递，减少结构冗余部分，实现减重。同时该类结构减缓了传统机加结构生产带来的应力集中，消除了大量的疲劳薄弱环节，增加结构寿命。此外，三维承载整体结构取消传统多件平面二维结构机械连接装配的大量紧固件，取消了大量连接孔，对机体结构的减重和增寿也有极大增益，典型三维承载整体结构如图 4 所示。

仿生构型结构是按照载荷分布将材料集中在最有效的拓扑路径上，实现满足承载和刚度要求下结构质量最小，是一种轻量化的结构构型。该类结构在自然界中随处可见，如树叶的叶脉、蜻蜓的翅膀。典型部位采用该类结构，相比传统制造的板杆构型结构可减重 20% 以上。该类结构传载更均匀、更优化，质量减轻的同时，还可以有效降低应力集中，促进寿命增益，典型仿生构型结构如图 5 所示。3D 打印是实现该类复杂结构的有效制造手段。

图4 “肋/梁/接头” 三维承载整体结构

图5 舱门摇臂结构对比（a）传统构型；（b）仿生构型结构

梯度金属结构是将不同金属材料按需分区布置并熔合成一体的新型结构，其力学性能呈梯度变化。金属结构的材料布局具有可设计性。该类结构可实现减重、提高疲劳寿命、降低成本，在实现承载功能的同时，还可以根据需求使结构部分区域具有耐热、抗蚀、耐磨等功能，典型梯度金属结构如图 6 所示。

微桁架点阵结构是指将结构内部或表面由微观结构单元阵列累积构成，并在内部微观结构中融合系统通路以实现各种功能。该类结构在满足承载能力需求的同时可大幅度减轻质量，此外还可以实现隐身、变体、耐热、自洁、减振、降噪、防爆、抗冲击、健康监控等多种功能，典型微桁架点阵结构如图 7 所示。

图6 梯度金属翼肋结构

图7 增材制造微桁架点阵结构

新结构关注的技术问题

对基于增材制造的新型结构，重点关注两方面技术问题。一是新结构的可制造性，主要关注其制造可实现性、生产效率、尺寸规格，以及生产周期、成本和配套工艺等。二是关注新结构是否发挥了增材制造技术的特征与优势，设计是否达到最优。也就是说，基于先进制造的新结构研制一定要将设计和制造统一考虑，相互迭代，以实现最优的结构效率。

在三维承载整体结构方面，可制造性重点关注激光沉积同轴送粉技术、电子束真空熔丝成形、电弧低成本熔丝成形、多种增材工艺复合制造成形，以及增材制造与传统变形材料机加结合制造的相关工艺。设计技术重点关注整体结构的三维成形连接区的失效模式和许用值、三维承载整体结构在交变载荷下三维裂纹扩展的行为规律、采用多种增材工艺复合制造整体结构界面区的力学特性，以及综合成形工艺特征和疲劳特性的整体结构优化方法等。

在仿生构型结构方面，可制造性重点关注超大规格激光选区熔化成形、增材铺粉成形与成形连接复合制造、冷压烧结成形等制造技术。设计技术重点关注拓扑构型的损伤容限特征与许用值定义方法、复杂载荷工况下传力路径特征、仿生构型结构轻量化便捷仿真模型、基于增材制造工艺约束面向不同性能/功能需求的优化设计方法，以及仿生构型结构的实验过程失效监控技术等。

在梯度金属结构方面，可制造性重点关注激光直接沉积送粉成形、异种材料成形、爆炸成形、搅拌摩擦焊、异种材料热处理等制造技术。设计技术重点关注梯度多材料结构的力学性能和表征方法、梯度金属结构过渡区的行为响应规律、异种材料结合结构界面的失效判据与许用值、含性能梯度特征的多材料结构宏细观仿真建模方法、多种梯度材料结构布局分布与结构特征的协同综合优化、梯度金属结构的适用范围与设计指南等。根据前期的研究成果可知，基于激光沉积成形的异种钛合金复合结构，其界面过渡区宽度在 0.4～0.6 mm；过渡区静力性能介于两种基材之间，疲劳性能也介于两种基材之间；过渡区断裂韧度梯度变化，具有线性、连续过渡特征，过渡区裂纹扩展速率规律与单一材料近似，可由 Paris 公式描述。

在微桁架点阵结构方面，可制造性重点关注激光选区熔化成形、电子束选区熔化成形、增材铺粉成形与成形连接复合制造、结构表面微纳加工等制造技术。设计技术重点关注基于增材制造工艺属性约束微观结构单元的构型设计、微桁架结构的基本力学性能与表征方法、微桁架节点连接方式对性能影响规律，微桁架结构失效机理/判据与设计许用值、微桁架结构的跨尺度仿真模型与分析方法、宏细观多功能结构构型优化设计技术等。在前期的研究工作中可以看出，微桁架单元组成的多功能融合结构其承载特性与单胞构型、相对密度、载荷形式等相关。微桁架杆径的尺寸对结构力学性能影响很大，通过实验可知杆直径从 0.5 mm 增加至0.6 mm，相对密度从 6.25% 提高至 8.9%，抗压强度则可提高 4.6 倍。

图8 三维框梁整体结构（a）结构模型；（b）增材工艺分段方案

图9 “框/纵向梁/垂尾梁”三维框梁整体结构

结论

先进制造技术和跨领域先进技术将结构设计、成形加工与工程应用协同融合，创造出与传统不同的具有可实现性的全新结构。特别是基于增材制造开发出的三维承载整体结构、仿生构型结构、梯度金属结构、微桁架点阵结构等创新结构，具有轻质高效、长寿命、多功能、低成本、快速响应的特征，可以大幅度提升机体平台品质，为研制未来新型战机提供了技术支撑。增材制造需要关注的问题除了可制造性和发挥制造优势外，本身还存在微裂纹、微气孔造成的性能不稳定，疲劳寿命难以预测，梯度复合结构和微桁架等特殊结构失效判据难以界定等难题，如何稳定增材制造工艺，形成科学合理的增材制造结构失效判据及验证方式是目前增材制造技术急需解决的重要问题。

原文链接：

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000094

来源：增材制造硕博联盟