DfAM专栏 | DfAM思维和航空航天“碰撞”出绚丽火花

feng-A 2021年10月21日浏览：1869 评论：1

DfAM专栏 | DfAM思维和航空航天“碰撞”出绚丽火花的图1

航空航天代表着人类科学技术的最高水平，也体现着人类设计理念的最新动态。通过增材制造技术+增材设计（DfAM）思维，可以为航空航天带来前所未有的设计理念。本文通过几个案例，为读者展现DfAM设计思维和航空航天行业相契合时所碰撞出来的火花。

nTopology应用之变密度晶格创建

基于DfAM理念的

拓扑优化机翼设计

丹麦技术大学机械工程系副教授 Niels Aage 将一个27m长的机翼划分为11亿个单元，用8000个CPU优化了5天时间，终于拓扑优化出来一个让业内一直津津乐道的作品——拓扑优化的全尺寸机翼。该成果以《Giga-voxel computational morphogenesis for structural design》为题，发表于《Nature》杂志。

上图为基于DfAM理念的拓扑优化机翼内部结构（机翼的下半部分），以梁结构和类桁架结构为主。

传统机翼结构是一种典型的盒段结构，由梁、肋、长桁和蒙皮组成。最外层的蒙皮为非设计空间，不做拓扑优化，内部所有空间为可设计空间。在优化时一般会把可设计空间填充为实体，拓扑优化过程也就是去除不需要的材料的过程。

Niels Aage分析了攻角分别为0°和4°时2种典型工况的载荷。上图中a为独立计算攻角0°时的结果；b为独立计算攻角4°时的结果；c为同时计算攻角0°和4°时的结果；d为同时计算攻角0°和4°及发动机重量时的结果。

与现有的机翼相比，拓扑优化后的机翼要轻 2-5% 左右。大约减重200-500kg。

尽管在优化时按照整体27m长度的结构来设计，但是受限于当前3D打印机的尺寸限制，作者只是打印了缩比验证部段。

最后作者发现，拓扑优化整体机翼的内部结构，与鸟嘴骨骼的内部结构有异曲同工之妙。鸟类在长期的进化过程中，优化出了既能满足承受进食时载荷，又适应飞行的轻量化骨骼。这个过程与拓扑优化机翼的过程可谓殊途同归。

基于DfAM理念的

火箭发动机结构设计

3D打印工艺对零件复杂程度不敏感，可以实现复杂结构、中空结构、点阵结构的低成本制造，为设计师实现复杂的轻量化结构提供了制造可行性。

莫纳什大学的科研团队通过金属3D打印设备和轻量化结构的设计思路，对火箭发动机零件进行了轻量化设计，在火箭壁内填充了点阵结构。这种结构不仅能大大降低结构的重量，而且具有良好的防隔热效果，是未来3D打印结构设计一个非常重要的发展方向。

制造复杂内流道是3D打印的另一个拿手绝活，3D打印可以实现结构内部流道在一定程度上任意变化方向、变化直径或者变化截面形状。

GE公司制造的飞机发动机燃油喷嘴在3D打印工业化进程中具有重要的里程碑意义，该产品已经实现了年产30000件的目标，是第一个实现大规模生产的3D打印产品。在火箭发动机领域，Aerojet Rocketdyne公司AR1火箭发动机的主喷油嘴也采用了同样的DfAM设计理念。

AR1是一款正在开发中的50万磅推力级的液氧/煤油发动机，其主喷油嘴是完全使用选择性激光熔化（SLM）技术制造的，3D打印被证明能够以与传统制造技术相比很低的成本快速制造出复杂的发动机零部件。仅在主喷射器一项，3D打印就把零部件的交货时间减少了9个月，并降低了70%的成本。

基于DfAM理念

的全机一体化设计

欧洲飞机制造商“空中客车”公司公布基于DfAM设计理念的“透明客机”概念方案。这架充满梦幻色彩的概念飞机极为复杂，完全打破了传统制造方法的桎梏，从弧形机身到仿生结构，再到能让乘客一览蓝天白云的透明蒙皮。根据空客公司公布的计划，这架梦幻飞机将在2050年变成现实，到时候整个生产车间就是一台巨型3D打印机，整个机身都由3D打印制造。

空客表示透明客机的机舱将采用仿生结构，模仿鸟骨以提高强度减轻重量，这种结构赋予承力部位更大的比强度。透明舱壁膜用于控制空气温度并呈透明状，让游客欣赏到全景。

乘客们可以通过机舱两边以

及机顶 360°观看天空中的景观

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舱壁膜控制空气温度同时呈透明状，

让乘客全天候欣赏到美丽的空中景色

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透明客机夜晚飞行时的景象

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乘客可以在互动区玩虚拟高尔夫球

不仅民用飞机可以如此科幻，战斗民族的DfAM思维和想象力也可以天马行空。2019年7月29日，苏霍伊设计局诞生80周年，这家举世瞩目的战斗机研发机构公布了经过DfAM拓扑优化分析后的苏-57结构模型。“苏-57”是俄罗斯的第五代战斗机，该拓扑优化模型很可能代表着苏-57战斗机的终极形态。

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3D打印苏-57模型

目前，3D打印凭借其独特的技术优势，正在航空航天行业实现跨越式的发展，过去依靠传统制造难以实现的复杂几何结构、轻量化结构、一体化结构，在以灵活著称的3D打印面前不再是问题，因此基于增材制造的设计（DfAM）思维显得尤为重要，只有从工艺上、技术上、思想上、理念上抛弃固有思维的束缚，我们航空航天设计师的设计能力和创新能力才能被彻底激发出来。

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lz1234

好

2021年10月22日

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