航空航天結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法研究進(jìn)展

王 博，郝 鵬，田 闊，馬祥濤，馮少軍

(大連理工大學(xué)工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化與CAE軟件全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

0 引 言

隨著航空航天裝備朝著重型化、高承載和高機(jī)動(dòng)等方向發(fā)展,其承載結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與高承載效率之間的矛盾日益突出。輕量化是航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,美國(guó)NASA將降低飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量、增加有效載荷的質(zhì)量、提高任務(wù)性能作為頂級(jí)技術(shù)挑戰(zhàn)之一[1]。薄壁結(jié)構(gòu)與連接結(jié)構(gòu)是航空航天結(jié)構(gòu)中兩大類主要承載結(jié)構(gòu)形式,本文圍繞以上兩類結(jié)構(gòu)開(kāi)展輕量化設(shè)計(jì)方法介紹。

加筋結(jié)構(gòu)是航空航天薄壁結(jié)構(gòu)中的典型承力結(jié)構(gòu)形式,大部分飛機(jī)機(jī)身與運(yùn)載火箭的承力部段均采用該結(jié)構(gòu)形式[2]。目前薄壁加筋結(jié)構(gòu)減重方式主要包括:采用先進(jìn)優(yōu)化算法進(jìn)行筋條布局優(yōu)化[3];采用拓?fù)鋬?yōu)化算法指導(dǎo)加筋構(gòu)型設(shè)計(jì)[4];考慮缺陷對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)影響開(kāi)展魯棒性優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。夾層結(jié)構(gòu)是另一種具有高承載效率的結(jié)構(gòu)類型,因其比強(qiáng)度、比剛度大,易于實(shí)現(xiàn)熱控、吸能、防護(hù)等多功能特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu),如飛機(jī)機(jī)身與艙門(mén)[6]、衛(wèi)星承力筒與接口支架[7]、火箭整流罩等[8]。當(dāng)前,夾層結(jié)構(gòu)的性能提升主要是對(duì)夾芯層的單胞結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而獲得性能更佳的結(jié)構(gòu)類型,達(dá)到減輕重量的目的。

連接結(jié)構(gòu)是航空航天裝備中傳遞載荷的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),起著承受大載荷集中力、固定被連接結(jié)構(gòu)、主動(dòng)分離等關(guān)鍵作用[9]。以新一代航天運(yùn)載裝備為例[10],其單點(diǎn)捆綁設(shè)計(jì)載荷高達(dá)千噸,且捆綁點(diǎn)附近存在分離需求,導(dǎo)致了極高的集中力擴(kuò)散及分離面變形協(xié)調(diào)等設(shè)計(jì)要求。為突破上述設(shè)計(jì)難點(diǎn),研究人員和工程師針對(duì)連接結(jié)構(gòu)其本身傳力設(shè)計(jì)及區(qū)域應(yīng)力調(diào)控問(wèn)題分別開(kāi)展了研究,提出了傳力路徑設(shè)計(jì)[11]、集中力擴(kuò)散拓?fù)湓O(shè)計(jì)[12]等方法。此外,隨著制造工藝的進(jìn)步,特別是近年來(lái)增材制造技術(shù)的發(fā)展,其技術(shù)也在連接結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了應(yīng)用與驗(yàn)證。如長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭芯級(jí)捆綁支座采用鈦合金增材制造,較原設(shè)計(jì)減重30%[13]。

在設(shè)計(jì)理論層面,結(jié)構(gòu)優(yōu)化是支撐重大裝備研制和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要工具,近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的理論、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與試驗(yàn)驗(yàn)證研究,已經(jīng)積累了包含拓?fù)鋬?yōu)化[14]、形狀優(yōu)化[15]、尺寸優(yōu)化[16]、代理模型優(yōu)化[17]等優(yōu)化技術(shù)的豐富研究成果。本文圍繞薄壁結(jié)構(gòu)與連接結(jié)構(gòu)兩類主要承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法開(kāi)展論述,并對(duì)未來(lái)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 薄壁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

薄殼結(jié)構(gòu)因其高比剛度、比強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn),常作為裝備的典型主承力構(gòu)件,廣泛應(yīng)用于火箭級(jí)間段、燃料貯箱、飛機(jī)機(jī)身、飛船密封艙等。屈曲失穩(wěn)通常是這類結(jié)構(gòu)的主要失效模式。本節(jié)圍繞慮及后屈曲行為的薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)及缺陷敏感性的薄壁結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計(jì)與新型輕質(zhì)薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)展介紹。

1.1 慮及后屈曲行為的薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

圖1 局部屈曲與后屈曲對(duì)比圖Fig.1 Comparison of local buckling and post buckling

近年來(lái),針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)后屈曲承載性能,學(xué)者們采用各種數(shù)值分析方法開(kāi)展了一系列研究,主要包括Koiter法、隱式動(dòng)力學(xué)方法、弧長(zhǎng)法、顯式動(dòng)力學(xué)方法等。其中顯式動(dòng)力學(xué)方法應(yīng)用最為廣泛,可模擬結(jié)構(gòu)從線性屈曲到非線性后屈曲直至壓潰破壞的全過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別針對(duì)復(fù)合材料加筋板[19]、蒙皮桁條結(jié)構(gòu)[20]、加筋薄殼結(jié)構(gòu)[21]開(kāi)展了后屈曲分析與優(yōu)化研究。然而該方法存在分析效率較低的不足。一方面,加筋、夾層等復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模困難,且當(dāng)有限元模型規(guī)模較大、自由度達(dá)到幾十萬(wàn)甚至上千萬(wàn)時(shí),后屈曲分析計(jì)算成本巨大;另一方面,傳統(tǒng)優(yōu)化算法需要反復(fù)調(diào)用仿真分析。高昂的計(jì)算成本使得大部分設(shè)計(jì)工作都是基于等效模型開(kāi)展[22-23]。但等效模型的適用條件較為苛刻,一般只適用于單胞密排、均勻邊界條件與周期性邊界條件,且只能進(jìn)行整體屈曲性能分析。

針對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)特征造成的設(shè)計(jì)空間維度爆炸問(wèn)題,以及薄壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜后屈曲行為造成的高計(jì)算成本問(wèn)題,學(xué)者們從周期性結(jié)構(gòu)等效性能表征、布局變量關(guān)聯(lián)、低維子問(wèn)題逼近、層次自適應(yīng)代理模型等角度發(fā)展了系列創(chuàng)新算法,形成了一系列極具特色的連續(xù)分步優(yōu)化格式來(lái)逼近全局最優(yōu)解[24-28]。其核心思想為通過(guò)建立序列設(shè)計(jì)空間自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制,將高維優(yōu)化問(wèn)題連續(xù)降維為若干基于等效模型的子問(wèn)題優(yōu)化,獲得具有一定擁擠度的精英種群解集,進(jìn)而基于變保真度代理模型開(kāi)展精細(xì)的非線性局部?jī)?yōu)化。

1.2 計(jì)及缺陷敏感性的薄壁結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計(jì)

艙段大型化導(dǎo)致初始缺陷難以避免,其后屈曲承載會(huì)對(duì)初始缺陷敏感而大幅折減,這種隨機(jī)缺陷影響下的后屈曲臨界承載力分析是公認(rèn)的結(jié)構(gòu)力學(xué)世界性難題。20世紀(jì)60年代,NASA基于大量筒殼試驗(yàn)結(jié)果,利用半經(jīng)驗(yàn)法給出了NASA SP-8007“折減因子設(shè)計(jì)規(guī)范”。但大量試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著加工工藝的改進(jìn)和質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)的累積,早期折減因子建議值顯得愈發(fā)保守,并且忽略了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)缺陷敏感性的影響[29],導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載效率無(wú)法有效發(fā)揮,也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)載火箭貯箱重量的大幅增加。

目前主流薄壁結(jié)構(gòu)缺陷敏感性數(shù)值分析方法包括:實(shí)測(cè)缺陷方法[30]、模態(tài)缺陷方法[31]、單點(diǎn)擾動(dòng)載荷法[32]、多點(diǎn)最不利擾動(dòng)載荷法[33]和能量壁壘法[34]等。通過(guò)提升折減因子的求解精度,可以一定程度上減輕冗余。不僅如此,除了被動(dòng)地挖掘減重設(shè)計(jì)空間,還可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)型的缺陷敏感性,通過(guò)同步提升結(jié)構(gòu)的屈曲載荷與抗缺陷能力,實(shí)現(xiàn)面向缺陷容忍的筒殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主動(dòng)地挖掘輕量化設(shè)計(jì)空間。

針對(duì)這個(gè)目標(biāo),學(xué)者們開(kāi)展了大量研究。Wag-ner等[35]提出了一種基于決策樹(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,以優(yōu)化復(fù)合材料圓柱體的鋪層,從而實(shí)現(xiàn)屈曲載荷和抗缺陷能力的同步提升。文獻(xiàn)[36-39]開(kāi)展了大量關(guān)于薄殼結(jié)構(gòu)缺陷敏感性分析及設(shè)計(jì)的研究工作,并指出筋條的多層級(jí)布置能夠有效抑制局部失穩(wěn)波的轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散,從而提升了結(jié)構(gòu)的抗缺陷能力(如圖2所示)。隨著航空航天結(jié)構(gòu)的更新迭代,如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期憑借有限試驗(yàn)數(shù)據(jù)甚至無(wú)數(shù)據(jù)的遷移學(xué)習(xí)開(kāi)展薄壁結(jié)構(gòu)缺陷敏感性分析與設(shè)計(jì),是十分具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。

圖2 多級(jí)加筋圓柱殼Fig.2 Hierarchical stiffened cylindrical shells

1.3 新型輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航空航天裝備中薄壁結(jié)構(gòu)除了需要考慮屈曲承載性能,還需要考慮剛度調(diào)控、隔熱、減振、吸波、抗疲勞等多功能需求[40]。隨著材料科學(xué)與加工制造等行業(yè)發(fā)展,以曲線加筋結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為代表的各類新型輕質(zhì)薄殼結(jié)構(gòu)得到了廣泛的研究與應(yīng)用,如圖3所示。

一位校長(zhǎng)問(wèn)詢：引進(jìn)一位骨干教師原本很優(yōu)秀，引進(jìn)后因至親親人長(zhǎng)期生病，護(hù)理和治療受拖累，工作無(wú)法進(jìn)入狀態(tài)，直到失去親人卻難以啟齒，只表示今后會(huì)好好為學(xué)校工作，很擔(dān)心她最終會(huì)頂不住，又不知如何幫她走出來(lái)。

曲線加筋通過(guò)合理的剛度調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)板殼面內(nèi)應(yīng)力的重分配與傳力路徑控制。Kapania等[41]指出曲線加筋布局設(shè)計(jì)相當(dāng)于對(duì)無(wú)限個(gè)小直筋的定向、間距及位置進(jìn)行自由放置,增加了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間。Aage等[42]利用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)全尺寸飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)展了千兆像素級(jí)分辨率的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果證實(shí)了曲線加筋布局的使用可以將結(jié)構(gòu)的總重量至少減少2%～5%。文獻(xiàn)[43-44]提出了復(fù)雜變剛度板殼(曲筋增強(qiáng)/曲線纖維增強(qiáng))智能設(shè)計(jì)系列方法,構(gòu)建了圖像空間下結(jié)構(gòu)性能智能預(yù)測(cè)框架,破解了設(shè)計(jì)變量的維數(shù)災(zāi)難瓶頸。針對(duì)曲面上曲線加筋建模需要進(jìn)一步考慮坐標(biāo)變化關(guān)系與筋條可制造性。石鵬[45]建立了表征筋條切線方向、測(cè)地方向和法線方向的局部坐標(biāo)系,進(jìn)而表征曲線加筋的布局信息。Tian等[46]通過(guò)定義背景網(wǎng)格域和目標(biāo)網(wǎng)格域,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)訓(xùn)練映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)了異形筒殼高效建模。

圖3 新型輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)Fig.3 New lightweight thin-walled structures

夾層薄殼結(jié)構(gòu)是另一種重要的輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu),其主要由上下面板與不同的芯體(格柵、點(diǎn)陣、蜂窩、波紋和褶皺)構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)形式不僅增大了夾芯的慣性矩,而且提高了夾層的比剛度,使得夾芯薄殼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、彎曲剛度大等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),夾芯結(jié)構(gòu)還能夠兼具不同的功能性,如結(jié)構(gòu)散熱[47]、振動(dòng)控制[48]、吸能[49]等性能。多樣的芯體形式和豐富的功能特性,為夾層薄殼結(jié)構(gòu)帶來(lái)了更優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性,促進(jìn)了未來(lái)薄殼結(jié)構(gòu)向輕量化、多功能化和智能化發(fā)展。

在材料技術(shù)方面,復(fù)合材料制備技術(shù)的進(jìn)步,纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)的出現(xiàn),使得變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的制造成為可能。變剛度復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)主要通過(guò)纖維角度、鋪層數(shù)量/厚度、鋪層順序等結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)設(shè)計(jì)因素在空間的非均勻分布實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的變剛度設(shè)計(jì)。Rouhi等[50]與孫士平等[51]指出單一工況下優(yōu)化后結(jié)構(gòu)比準(zhǔn)各項(xiàng)同性板殼結(jié)構(gòu)性能更加優(yōu)異。在加筋薄殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,Pitton等[52]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群優(yōu)化器相結(jié)合用于纖維鋪層路徑優(yōu)化,提出了變剛度復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Hao等[53-54]構(gòu)建了精確幾何驅(qū)動(dòng)的變剛度板殼結(jié)構(gòu)建模/分析/設(shè)計(jì)統(tǒng)一框架,提出了以多水平自由變形技術(shù)(MNFFD)為核心的薄壁結(jié)構(gòu)幾何建模方法?？傮w來(lái)說(shuō),由于復(fù)合材料本身具有多尺度效應(yīng),且復(fù)合材料破壞模式多樣,如何兼顧分析精度、加工工藝與整體承載效果仍然是十分具有挑戰(zhàn)性的難題。

2 連接結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

連接結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于連接部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)連接區(qū)的耦合作用效果顯著,需要對(duì)連接件與被連接區(qū)域進(jìn)行同步設(shè)計(jì)[55-56]。本節(jié)圍繞連接結(jié)構(gòu)傳力設(shè)計(jì)及區(qū)域應(yīng)力調(diào)控展開(kāi)介紹,如圖4所示。

2.1 傳力路徑引導(dǎo)的連接結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

傳力路徑引導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是指通過(guò)設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)拓?fù)浼把b配形式,使得載荷的傳遞方式與結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)一致,從而滿足結(jié)構(gòu)性能要求的設(shè)計(jì)方法。20世紀(jì)90年代,學(xué)者通過(guò)引入載荷傳遞分析的概念,提出廣義結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo),量化載荷從作用點(diǎn)起到邊界約束為止的路線,并應(yīng)用于車輛工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中[57]。梅勇等[58]針對(duì)火箭捆綁裝置開(kāi)展了傳力路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,大幅優(yōu)化了捆綁聯(lián)接結(jié)構(gòu)載荷。為了規(guī)避結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)尺寸的影響,陳磊等[59]引入結(jié)構(gòu)承載因子對(duì)飛機(jī)加強(qiáng)框結(jié)構(gòu)的傳力路徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),該方法僅需要考慮結(jié)構(gòu)外形和載荷,有效降低了工程問(wèn)題復(fù)雜度。

近年來(lái),伴隨先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展,復(fù)雜連接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造成為可能[60],在保證結(jié)構(gòu)傳力性能的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足結(jié)構(gòu)阻熱、抗振、局部變形協(xié)調(diào)等多種精細(xì)化功能指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)上述創(chuàng)新連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),學(xué)者們開(kāi)展了制造約束和目標(biāo)評(píng)判方案。面向創(chuàng)新連接結(jié)構(gòu)的制造可達(dá)性研究,文獻(xiàn)[61-62]考慮增材制造的工藝約束開(kāi)展了多種滿足制造特征的拓?fù)鋬?yōu)化方法研究。Li等[63]通過(guò)賦予結(jié)構(gòu)虛擬溫度場(chǎng)并限制虛擬溫度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連通性。面向功能指標(biāo),王雁等[64]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)油箱支架的承載特性提出了局部剛度指標(biāo),優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最大應(yīng)力的大幅降低?；趥髁β窂降慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與力學(xué)設(shè)計(jì)的“滿應(yīng)力準(zhǔn)則”較為契合,因此可以獲得符合傳力需求的創(chuàng)新構(gòu)型。

2.2 區(qū)域應(yīng)力調(diào)控的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中國(guó)研究人員在早期航天器設(shè)備設(shè)計(jì)中已經(jīng)認(rèn)識(shí)到連接結(jié)構(gòu)對(duì)區(qū)域應(yīng)力調(diào)控的重要性。東方紅衛(wèi)星平臺(tái)通過(guò)回轉(zhuǎn)曲面對(duì)接環(huán)實(shí)現(xiàn)主星載荷與推進(jìn)艙載荷的均勻調(diào)控。近年來(lái),伴隨著航空航天裝備大型化、承載重型化的結(jié)構(gòu)趨勢(shì),局部強(qiáng)度、輕量化問(wèn)題和區(qū)域應(yīng)力調(diào)控之間矛盾越發(fā)突出[65]。為解決上述問(wèn)題,學(xué)者們主要從一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和集中力擴(kuò)散設(shè)計(jì)兩方面展開(kāi)研究。

一體化設(shè)計(jì)通過(guò)先進(jìn)制造技術(shù),將部分部件聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)和制造,從而避開(kāi)了不同部段間相互影響的問(wèn)題。谷小軍等[66]針對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架與艙段傳力結(jié)構(gòu),考慮推力載荷的有效傳遞、重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架與艙段傳力結(jié)構(gòu)之間的耦合影響,開(kāi)展了聯(lián)合最優(yōu)傳力路徑分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。范瑞祥等[67]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力傳遞結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題,提出了一種基于貯箱箱底與殼段結(jié)構(gòu)聯(lián)合傳力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,傳力效率提高30%。張濤濤等[68]針對(duì)航天器氣閘艙貨艙門(mén)與大開(kāi)口門(mén)框面臨的相對(duì)滑移量大及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差問(wèn)題,通過(guò)門(mén)框剛度補(bǔ)強(qiáng)及增加限位裝置的一體化設(shè)計(jì)方法,有效降低了相對(duì)變形及應(yīng)力水平。

另一方面,對(duì)于對(duì)接環(huán)、連接短殼等大型連接件,集中力擴(kuò)散設(shè)計(jì)方法可以將集中載荷均勻過(guò)渡至承載艙段。張家鑫等[65]采用了集中力擴(kuò)散拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),獲得了相較傳統(tǒng)構(gòu)型應(yīng)力分布更為均勻的概念設(shè)計(jì)。張曉穎等[69]采用集中力擴(kuò)散設(shè)計(jì)方法對(duì)千噸級(jí)集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,所設(shè)計(jì)的大張角連接構(gòu)型能夠降低局部應(yīng)力集中、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度等分配,因此可以減少材料使用,實(shí)現(xiàn)連接區(qū)域輕量化。

3 面向輕量化結(jié)構(gòu)的高精度實(shí)驗(yàn)與數(shù)字孿生方法

輕量化設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)承載裕度得到壓縮,得到的設(shè)計(jì)構(gòu)型較初始結(jié)構(gòu)減輕了冗重,但也帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。其主要在于仿真分析理論與實(shí)際服役數(shù)據(jù)的誤差不可避免地存在,設(shè)計(jì)結(jié)果可能無(wú)法達(dá)到指標(biāo)要求,必須通過(guò)試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)型進(jìn)行驗(yàn)證并改進(jìn)設(shè)計(jì)。此外,隨著高端裝備服役復(fù)雜度的提升,使用單一的分析方法已經(jīng)難以準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)全周期性能,數(shù)字孿生技術(shù)為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供了新型研究思路。本節(jié)圍繞輕質(zhì)薄殼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生分析與設(shè)計(jì)方法開(kāi)展介紹。

3.1 輕質(zhì)薄殼結(jié)構(gòu)高精度實(shí)驗(yàn)方法

學(xué)者們圍繞輕質(zhì)薄殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究,意識(shí)到幾何缺陷是造成薄殼結(jié)構(gòu)承載力預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值差異的主要原因。NASA(SBKF項(xiàng)目)和歐盟(DESICOS項(xiàng)目)已分別在2007年和2012年專門(mén)立項(xiàng)研究考慮缺陷影響的薄壁筒殼結(jié)構(gòu)承載力分析方法,并且一致認(rèn)為這是未來(lái)大直徑重型運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)減重的新途徑。面向薄壁結(jié)構(gòu)形貌缺陷測(cè)量、失穩(wěn)波觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)加載控制等問(wèn)題,以DIC(Digital image correlation)為代表的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法受到了大量關(guān)注。其應(yīng)變測(cè)量能力可達(dá)到0.005%～2000%,測(cè)量對(duì)象大小可從0.8 mm到100 m。面向初始幾何缺陷,NASA蘭利研究中心搭建了基于DIC光學(xué)測(cè)量方法的全場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng),收集了直徑8.3 m全尺寸和2.4 m小尺寸的鋁合金網(wǎng)格加筋薄殼結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷[70-72]。文獻(xiàn)[30,73-74]采集了薄殼以及三角形網(wǎng)格加筋薄殼結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)缺陷,并將其引入至完善有限元模型,開(kāi)展了一系列薄殼結(jié)構(gòu)的缺陷敏感性分析。

基于觀測(cè)系統(tǒng)與加載系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基本流程如下:(1)首先使用觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)缺陷的高精度測(cè)量,然后采用有限元軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M;(2)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前需進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)、貼片設(shè)計(jì)等準(zhǔn)備工作,然后進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)與正式實(shí)驗(yàn);(3)最后,將正式實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。薄殼結(jié)構(gòu)高精度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 薄殼結(jié)構(gòu)高精度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 High-precision experiment system for thin shell structures

薄殼復(fù)雜非均勻載荷的精確加載是提高實(shí)驗(yàn)精度的另一關(guān)鍵因素。常見(jiàn)的復(fù)雜非均勻載荷包括非均勻軸壓載荷以及非均勻外壓載荷。少有學(xué)者開(kāi)展薄殼結(jié)構(gòu)的非均勻載荷加載方法的實(shí)驗(yàn)研究,然而用均勻載荷覆蓋非均勻載荷的加載方法極易造成過(guò)考核現(xiàn)象,進(jìn)而使得大型地面實(shí)驗(yàn)的過(guò)考核情況放大了結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)下的受載情況,保守地估計(jì)了結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。特別地,這種過(guò)考核情況隨著結(jié)構(gòu)徑厚比增大而愈發(fā)顯著。因此,開(kāi)展考慮非均勻載荷的工裝設(shè)計(jì)對(duì)于提高工程薄殼穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)精度、指導(dǎo)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)具有重要意義。

3.2 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)裝備數(shù)字孿生分析與設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生技術(shù)將物理實(shí)體和虛擬模型進(jìn)行融合,能對(duì)物理實(shí)體提供多維度、多尺度和高保真度的概率性動(dòng)態(tài)映射模型,為復(fù)雜結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[75-76]。NASA在其2012年版《空間技術(shù)路線圖》[77]中正式提出了“數(shù)字孿生體2027計(jì)劃”,明確了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展方向,相關(guān)技術(shù)成果及產(chǎn)品已在美國(guó)和歐盟航空航天項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》[78]也明確指出,建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)要加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合,全面推廣應(yīng)用先進(jìn)智能設(shè)計(jì)技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)基本框架如圖6所示,通過(guò)融合服役狀態(tài)下結(jié)構(gòu)傳感器時(shí)序數(shù)據(jù)、高效高精度的數(shù)值仿真分析數(shù)據(jù)及物理機(jī)制機(jī)理等,并對(duì)不確定性進(jìn)行量化,可構(gòu)建航空航天裝備的數(shù)字孿生體,達(dá)到準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)并預(yù)測(cè)物理實(shí)體行為狀態(tài)的目的。數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的全生命周期管理,已然成為實(shí)現(xiàn)未來(lái)航空航天結(jié)構(gòu)輕量化的關(guān)鍵技術(shù)。在2016年舉辦的第七屆空間應(yīng)用系統(tǒng)與并行工程國(guó)際會(huì)議[79]期間,來(lái)自德國(guó)宇航中心、歐洲航天局、NASA、空客等機(jī)構(gòu)的專家就如何通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)貫穿航天設(shè)備在全生命周期過(guò)程的應(yīng)用設(shè)立了專題進(jìn)行討論。

圖6 航空航天裝備數(shù)字孿生技術(shù)基本框架Fig.6 Basic framework of digital twin technology for aerospace equipment

由于航空航天裝備設(shè)計(jì)對(duì)極致輕量化的迫切需求,結(jié)構(gòu)方案的剩余強(qiáng)度普遍處于臨界狀態(tài),這對(duì)地面試驗(yàn)考核提出了極大挑戰(zhàn),考慮到基于電測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手段難以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)全場(chǎng)力學(xué)響應(yīng)的有效覆蓋,試驗(yàn)考核風(fēng)險(xiǎn)增大[80]。文獻(xiàn)[81-83]提出了一種基于遷移學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)字孿生體構(gòu)建方法,并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)航空航天裝備中的加筋殼、多級(jí)加筋板進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)航天飛船熱真空試驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù),采用數(shù)字孿生技術(shù)可以建成包括故障診斷和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此,數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)于航空航天裝備地面試驗(yàn)的全過(guò)程監(jiān)控和輔助地面試驗(yàn)決策有著重要意義。

數(shù)字孿生體可通過(guò)實(shí)時(shí)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新,以進(jìn)一步提高模型可靠性,在航空航天輕量化裝備在軌強(qiáng)度評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)方面有著巨大應(yīng)用潛力。Zhou等[84]基于數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。Yang等[85]提出了飛船數(shù)字孿生概念,從四個(gè)維度建立了飛船仿真模型,可用于在軌飛船狀態(tài)評(píng)估和性能預(yù)測(cè)。對(duì)于航空航天裝備的在軌監(jiān)測(cè),數(shù)字孿生技術(shù)可有效提升其數(shù)字化、智能化水平及全周期安全評(píng)估能力。

4 未來(lái)發(fā)展方向

航空航天結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與制造目前存在以下三方面問(wèn)題:一是材料分布和多尺度結(jié)構(gòu)特征對(duì)構(gòu)件性能的耦合影響規(guī)律復(fù)雜,導(dǎo)致構(gòu)件材料與結(jié)構(gòu)匹配的性能設(shè)計(jì)困難;二是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和制造工藝的約束,導(dǎo)致復(fù)雜構(gòu)件整體制造困難;三是多物理場(chǎng)耦合與多功能約束,導(dǎo)致單一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以滿足多種服役需求。材料結(jié)構(gòu)一體化、設(shè)計(jì)制造一體化與多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有望解決上述問(wèn)題,是航空航天裝備輕量化設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。

4.1 材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法通過(guò)材料與結(jié)構(gòu)的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì),從宏微觀多尺度發(fā)掘材料與結(jié)構(gòu)潛力,成為突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)性能極限、實(shí)現(xiàn)高性能構(gòu)件制造的關(guān)鍵。以增材制造為代表的新型設(shè)計(jì)加工方法對(duì)實(shí)現(xiàn)航空航天輕量化有著顯著優(yōu)勢(shì)。

4.2 設(shè)計(jì)-制造一體化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)-制造一體化是指將設(shè)計(jì)與制造統(tǒng)一為整體,制造單位要為設(shè)計(jì)單位提供工藝約束與制造性能數(shù)據(jù),使得在設(shè)計(jì)階段保障工藝可達(dá);同時(shí),設(shè)計(jì)階段要對(duì)不同制造工藝進(jìn)行選擇,并對(duì)工藝類型、加工制造環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)設(shè)計(jì)制造一體化可減少各環(huán)節(jié)迭代留有的承載余量與冗重。

4.3 結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)

航空航天裝備服役過(guò)程中不僅需要滿足基本承載需求,還需要兼顧防隔熱、氣動(dòng)、電磁等功能需求。多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將承載結(jié)構(gòu)與電路結(jié)構(gòu)等集成,減少設(shè)計(jì)承載結(jié)構(gòu)系數(shù)。如何建立其宏觀力學(xué)性能表征與功能服役過(guò)程預(yù)測(cè)模型,是輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。