王 鳳，張 博，王 超，楊 光

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110015；2.沈陽航空航天大學(xué)遼寧省高性能金屬增材制造工程研究中心，遼寧 沈陽 110136）

1 引言

零部件的輕質(zhì)化和可靠化極大的提升了航空航天裝備的效能，如起飛重量達(dá)65t的波音737飛機(jī)，每減輕1磅，全壽命周期內(nèi)可節(jié)省數(shù)十萬美元燃油成本；某公司的Trent XWB-97發(fā)動機(jī)部分是采用增材制造零部件，生產(chǎn)效率提高1/3，交貨周期縮短30%。因此航空零部件輕量化帶來的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、軍事意義十分突出[1-2]。航空航天零件具有顯著的“小批量、多品種”特點，隨著產(chǎn)品演進(jìn)，往往一個型號迭代過程中會衍生出更多改進(jìn)型號，帶來的問題是單個型號批量小、制造成本較高且周期長，無法發(fā)揮批量制造優(yōu)勢，使得單件生產(chǎn)成本高且周期長，嚴(yán)重制約了型號設(shè)計、研制工作的發(fā)展[3-4]。

對于設(shè)計人員來說，傳統(tǒng)制造工藝過多的條件要求也嚴(yán)重限制了他們的設(shè)計思維，許多理想的結(jié)構(gòu)形式由于無法實現(xiàn)而放棄，嚴(yán)重影響了飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新，成為航空航天裝備進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸[5-7]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，增材制造或可為小批量多品種的航空航天型號研制工作打開全新的局面。增材制造不僅會對傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方式帶來變革，也會對傳統(tǒng)設(shè)計方法產(chǎn)生重大影響。增材制造技術(shù)可以引導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計，提高部件與產(chǎn)品性能。美國通用電氣公司（GE）研發(fā)的重型燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率突破64%，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這歸功于燃燒室及噴嘴采用了創(chuàng)新設(shè)計與增材制造技術(shù)。

綜上，本文以某型航空發(fā)動機(jī)低壓燃油濾支架為對象，研究了基于數(shù)字化模型驅(qū)動和SLM增材制造技術(shù)相融合的優(yōu)化設(shè)計方法，為小批量多品種零件的設(shè)計、制造提供思路[8-9]。

2 方案設(shè)計

某型發(fā)動機(jī)低壓燃油濾支架固定在發(fā)動機(jī)機(jī)匣安裝邊上，用于支撐低壓燃油濾附件，同時支架上還設(shè)計了管路拉桿固定點。支架需要在發(fā)動機(jī)全工作包線范圍內(nèi)為附件和管路提供有效的支撐，不應(yīng)出現(xiàn)裂紋，斷裂及影響附件和管路功能的變形。其零部件結(jié)構(gòu)布置應(yīng)滿足合理的傳力路徑、系統(tǒng)通路、裝配空間等要求。支架最大尺寸及特征尺寸，如圖1所示（外廓尺寸105.6mm×111.5mm×56mm，最小的孔徑φ2.6mm、最薄的壁厚3mm、最窄的縫寬10mm）。

圖1 低壓燃油濾原始支架外形及尺寸Fig.1 Outline Diagram of Support for Low Pressure Fuel Oil Filter

2.1 結(jié)構(gòu)概述

發(fā)動機(jī)外部固定附件用支架加工工藝主要包括鑄造、鍛件機(jī)加和鈑金焊接加強(qiáng)筋方式等。限于傳統(tǒng)加工的制約，支架設(shè)計時很難保證材料盡可能分布在結(jié)構(gòu)的傳力路徑上，造成結(jié)構(gòu)件的重量增加和材料浪費。

低壓燃油濾布置在低溫區(qū)，考慮到材料的綜合性能和經(jīng)濟(jì)性，支架選用發(fā)動機(jī)低溫區(qū)常用的0Cr18Ni9材料，材料性能，如表1所示。

表1 0Cr18Ni9材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of 0Cr18Ni9

2.2 強(qiáng)度分析

低壓燃油濾支架原始模型質(zhì)量為0.345kg。利用UG高級仿真工具對原始模型進(jìn)行仿真分析的結(jié)果，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力分析結(jié)果Fig.2 Stress Analysis Result

由分析結(jié)果可知靜強(qiáng)度的最大當(dāng)量應(yīng)力49.2MPa，發(fā)生的螺紋連接孔和加強(qiáng)筋低部。屈服安全系數(shù)[10]：

極限安全系數(shù)：

模態(tài)分析表明1階固有頻率為260.3Hz，不滿足≥270Hz的要求，模態(tài)計算結(jié)果，如圖3所示。

圖3 模態(tài)計算結(jié)果Fig.3 Simulation Results

由上述分析結(jié)果可知，原始模型質(zhì)量0.345kg，靜強(qiáng)度儲備系數(shù)較高，設(shè)計過于保守，還有減重的空間。而剛度卻不是很理想，說明材料未能有效布置在承載路徑上，原始模型結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

3 基于增材制造的優(yōu)化設(shè)計

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化過程

采用Inspire優(yōu)化軟件，首先對可以使用的設(shè)計區(qū)域進(jìn)行填充，然后建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，即：

式中：ω1—一階固有頻率；k—發(fā)動機(jī)支架剛度；pi—發(fā)動機(jī)支架所受的力；δi—由力引起的變形量；n0.2—屈服安全系數(shù)；nb—極限安全系數(shù)。

其拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖4所示。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.4 Results of Topology Optimization

3.2 優(yōu)化模型

按照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果提供的結(jié)構(gòu)件的傳力路徑和材料分布，結(jié)合低壓燃油濾支架自身需要實現(xiàn)的功能和實際使用環(huán)境要求，對支架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計模型，如圖5所示。優(yōu)化模型參照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果將原始模型中兩個單側(cè)的板式加強(qiáng)筋更改為雙側(cè)4個長圓錐形筋，為考慮減重，將長圓錐內(nèi)部挖空，形成中空的壁厚為1mm的支撐結(jié)構(gòu)。為了保留原來支架上連接其他支架的功能孔，在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上保留了部分板式結(jié)構(gòu)。低壓燃油濾支架優(yōu)化模型質(zhì)量為0.267kg。

圖5 低壓燃油濾優(yōu)化支架優(yōu)化模型Fig.5 Optimization Model of Support for Low Pressure Fuel Oil Filter

3.3 結(jié)果分析

利用UG高級仿真工具對優(yōu)化模型進(jìn)行仿真分析，施加約束及載荷情況，如圖6所示。由分析結(jié)果可知靜強(qiáng)度的最大當(dāng)量應(yīng)力80.12MPa。屈服安全系數(shù)：

圖6 應(yīng)力分析結(jié)果Fig.6 Stress Analysis Result

極限安全系數(shù)：

模態(tài)計算結(jié)果，如圖7 所示。計算得出1 階固有頻率為279.9Hz，滿足≥270Hz的要求。

圖7 模態(tài)計算結(jié)果Fig.7 Simulation Results

4 優(yōu)化設(shè)計的效果分析

優(yōu)化后的支架滿足輕量化、集成化、功能結(jié)構(gòu)一體化要求，能夠有效避免支架焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不穩(wěn)定性以及復(fù)雜支架機(jī)加工藝毛坯較大，材料浪費較多的問題。

優(yōu)化模型外廓及最小特征尺寸滿足增材制造工藝要求，可使用鋪粉技術(shù)成形，工藝難度小。

（1）技術(shù)指標(biāo)的提升

優(yōu)化模型比原始模型剛度有所提高，1 階固有頻率由原來260.3Hz提高到279.9Hz，滿足≥270Hz技術(shù)指標(biāo)要求。優(yōu)化后靜強(qiáng)度儲備系數(shù)仍然滿足屈服安全系數(shù)n0.2≥1.2，極限安全系數(shù)nb≥1.5的技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）減重效果

原始支架質(zhì)量0.345kg，優(yōu)化模型質(zhì)量0.267kg，減重22.6%。

（3）經(jīng)濟(jì)效益

原始支架如果選用鍛造毛坯機(jī)加方式加工，毛坯體積大于659366mm3，如圖8（a）所示。采用增材制造方式加工的優(yōu)化模型體積僅為34128mm3，如圖8（b）所示。在強(qiáng)度/裕度滿足使用要求的前提下，采用增材制造工藝提高材料利用率94%以上，經(jīng)濟(jì)性較好。

圖8 兩種制造方案材料利用率對比Fig.8 Comparison of Material Efficiency for Two Manufacturing Program

（4）可推廣性

為減小支架重量和提高支架剛度，采用在傳遞路徑上布置中空長圓錐形加強(qiáng)筋的方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用增材制造方式來進(jìn)行一體化的加工，拓展了支架設(shè)計新思路。中空長圓錐形加強(qiáng)筋一體化成形能夠有效避免傳統(tǒng)板式加強(qiáng)筋焊接質(zhì)量問題對支架支撐性能的影響。

在相同重量時，中空長圓錐形加強(qiáng)筋比傳統(tǒng)板式加強(qiáng)筋剛度好，但是其成形只能通過增材制造的方式實現(xiàn)。目前增材制造工藝技術(shù)對于加工類似中空結(jié)構(gòu)件工藝已經(jīng)十分成熟。

5 增材制造模型

這里利用蓋恩科技GN-T2018并聯(lián)臂3D打印機(jī)對優(yōu)化后的航空發(fā)動機(jī)支架進(jìn)行打印，首先將模型導(dǎo)入分層切片軟件，由切片軟件自動生成打印軌跡及代碼，然后連接打印機(jī)確定零基準(zhǔn)面及零點，最后打印支架模型。打印過程，如圖9所示。

圖9 支架打印過程Fig.9 Printing Process of Support

打印參數(shù)為：功率為250W，XY方向打印速度為3000mm/min，Z方向打印速度為200mm/min，噴嘴工作溫度為200℃，床身工作溫度為60℃，噴嘴直徑0.4mm。專用耗材為PLA，直徑1.75mm。打印后的最終效果圖，如圖10所示。

圖10 3D打印后支架模型Fig.10 Model of Support After 3D Printing

6 結(jié)論

（1）面向增材制造優(yōu)化的支架滿足輕量化、集成化、功能結(jié)構(gòu)一體化要求，能夠有效避免焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不穩(wěn)定性以及復(fù)雜支架機(jī)加工藝難度大、材料利用率低問題。

（2）在滿足靜強(qiáng)度條件下優(yōu)化前原始模型質(zhì)量0.345kg，優(yōu)化后模型0.267kg，減重達(dá)22.6%；剛度有提高，1階固有頻率由原來260.3Hz提高到279.9Hz，滿足≥270Hz技術(shù)指標(biāo)要求。

（3）優(yōu)化模型能夠?qū)⒉牧嫌行Р贾迷诔休d路徑上，結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理。這里所述的設(shè)計思路具有一定的推廣和應(yīng)用價值。