基于先进激光加工技术的下一代航空发动机跨尺度整体式承力薄壁构件设计方法与应用

作者： 张少平     郭会明     高彤     张卫红   来源： 航空学报 年份： 2024 文献类型 ： 期刊 关键词： 中介机匣   激光加工   增材制造   拓扑优化   点阵结构   多尺度结构  

描述： 由宏观骨架-细观点阵-微观表面构成的多尺度整体式结构是一类极具高性能、多功能、轻量化潜力的新型结构形式，日渐成熟的先进激光加工技术不仅极大提升了高性能结构的制造能力，也为新型复杂结构的制造提供了可能。在简要总结宏观骨架、细观点阵、微观表面设计与制造现状基础上，提出了以先进激光加工技术为制造手段的多尺度整体式结构设计方法。以中介机匣为例，采用拓扑优化技术设计了主承力骨架结构，通过在拓扑优化低密度区域或低应力区域填充可制造点阵的方式完成了轻量化点阵设计，与实壁铸造件相比减重20%以上；在流道表面设计了导流减阻微沟槽结构，采用超快激光表面刻蚀加工，仿真模拟表明微沟槽减阻效果超过10%。采用先进激光加工技术开展了多尺度整体式结构设计的应用探索，为下一代航空发动机结构研制提供了可供借鉴的新途径。

结构-材料-制造一体化技术在未来航空发动机中的应用探索

作者： 伏宇     刘砚飞     田伟     张少平     郭会明     李岳锋   来源： 燃气涡轮试验与研究 年份： 2025 文献类型 ： 期刊 关键词： 仿生结构   航空发动机   制造一体化技术   材料   拓扑优化   点阵结构   结构  

描述： 结构-材料-制造一体化技术在未来航空发动机中的应用探索

面向增材制造的航空发动机外部系统支架拓扑优化设计

作者： 孟亮   仲明哲   李文彪   夏凉   高彤   朱继宏   张卫红   来源： 中国机械工程 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： 多载荷工况   增材制造   拓扑优化   变密度法   外部系统支架  

描述： 增材制造样件的力学试验表明：面向增材制造的支架设计较初始结构质量减小约15%,刚度增大约20%,一阶固有频率提高约15%,结构强度显著增大。该方案实现了1个外部系统支架、2个管路支架和4颗铆钉的一体化增材制造，有效提升了发动机装配质量和效率，顺利通过地面静载和发动机点火试验。

典型飞机壁板结构的抗屈曲优化设计与试验验证

作者： 孟亮     杨金沅     杨智威     高彤     刘洪权     张卫红   来源： 航空学报 年份： 2024 文献类型 ： 期刊 关键词： 加筋壁板   端部支持系数   结构优化   屈曲分析   临界屈曲载荷  

描述： 加筋壁板是飞机机身和机翼中常见的典型承力结构，其在轴压和机身弯矩载荷作用下极易发生屈曲失效，严重制约飞行器安全性能与服役周期。飞机结构静强度校核时多采用经验公式进行工程计算，其中加筋壁板结构承载能力的工程计算与机身框结构端部支持系数的选取密切相关。现有飞机型号研制中端部支持系数的选取通常较为保守，结构安全裕度大、质量冗余，阻碍了飞行器轻量化水平的进一步提升。为此，首先基于欧拉长柱失稳理论，建立了基于切缝法的典型飞机壁板结构端部支持系数仿真计算模型；同时深入分析了端部支持系数与加筋壁板结构和支撑框段的耦合作用关系；进一步地，分析了框、长桁等结构特征参数对端部支持系数的影响规律，并分别开展了框、长桁-蒙皮以及框-长桁-蒙皮协同优化的飞机壁板结构抗屈曲设计；最后，基于增材制造缩比样件和轴压屈曲试验，验证了典型壁板结构抗屈曲优化设计方法的有效性。所建立的仿真分析模型和优化设计方法实现了飞机壁板结构抗屈曲性能的有效提升，对进一步提升飞机性能指标具有重要意义。

结构优化方法及其在航空航天工程设计中的应用

作者： 张卫红   来源： 中国力学大会-2015 年份： 2016 文献类型 ： 会议论文

描述： 从航空航天飞行器结构设计应用角度出发,综述了近年来结构拓扑优化技术在结构构型总体设计、多组件结构系统设计、结构支撑连接设计、热与动力学性能设计等方面的系统性成果.此外,还展望了拓扑优化方法面向未来飞行器结构设计难题亟待开展的研究方向.

优化设计方法在航空结构应用中的初探

作者： 张卫红   来源： 结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009） 年份： 2016 文献类型 ： 会议论文

描述： 近年来随着我国航空航天事业的飞速发展,结构优化技术为一批重大型号项目研制成功发挥了重要的作用,其工程认可与应用程度日益深刻广泛。结合近年来所承担的课题项目,本文介绍了在该领域开展的一些主要研究工作,探讨了结构轻量化设计的工程应用,通过算例阐述了拓扑布局优化、形状优化以及尺寸参数优化设计三种方法的应用效果。

结构优化方法及其在航空航天工程设计中的应用

作者： 张卫红   来源： 中国力学大会-2015 年份： 2016 文献类型 ： 会议论文

描述： 从航空航天飞行器结构设计应用角度出发,综述了近年来结构拓扑优化技术在结构构型总体设计、多组件结构系统设计、结构支撑连接设计、热与动力学性能设计等方面的系统性成果.此外,还展望了拓扑优化方法面向未来飞行器结构设计难题亟待开展的研究方向.

优化设计方法在航空结构应用中的初探

作者： 张卫红   来源： 结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009） 年份： 2016 文献类型 ： 会议论文

描述： 近年来随着我国航空航天事业的飞速发展,结构优化技术为一批重大型号项目研制成功发挥了重要的作用,其工程认可与应用程度日益深刻广泛。结合近年来所承担的课题项目,本文介绍了在该领域开展的一些主要研究工作,探讨了结构轻量化设计的工程应用,通过算例阐述了拓扑布局优化、形状优化以及尺寸参数优化设计三种方法的应用效果。

航空航天装备的轻量化：挑战与未来

作者： 张卫红     唐长红   来源： 航空学报 年份： 2024 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空航天装备   轻量化设计与制造   高性能制造与装配   材料与结构技术   装备总体技术  

描述： 轻量化是航空航天装备研发领域永恒的主题，它对装备的综合性能和服役效能具有决定性影响。在过去的数十年里，一系列高性能优化设计方法、新材料和制造工艺技术的研发和应用，不断推动航空航天装备轻量化水平的提升。然而，随着新一代装备对综合性能和多功能需求的不断增加，现有的轻量化设计制造技术正面临着日益严峻的挑战。因此，本文重点探讨了航空航天装备研发的总体设计、机电系统设计、材料与结构、高性能制造与装配等主要环节，并分析了轻量化技术在未来的发展趋势。

航空发动机浮动瓦片热障涂层脱落分析

作者： 田伟     张少平     吴晨     汪庆   来源： 失效分析与预防 年份： 2023 文献类型 ： 期刊 关键词： 显微组织   层脱落   热障涂层   未熔颗粒   热生长氧化层  

描述： 航空发动机火焰筒浮动瓦片采用等离子喷涂Y₂O₃-ZrO₂热障涂层进行防护，发动机试车后部分浮动瓦片的热障涂层局部区域发生脱落。利用体视显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等对发生涂层脱落的浮动瓦片表面形貌、显微组织、微区成分和相组成进行分析。结果表明：热障涂层主要发生Y₂O₃-ZrO₂面层剥落，裂纹萌生于NiCoCrAlY底层未熔颗粒突起部位所形成的热生长氧化层（TGO）附近，并沿平行于界面的方向扩展。陶瓷面层脱落的原因与金属底层厚度偏薄，金属底层含有超量的未熔颗粒及孔隙，陶瓷面层中含有单斜晶系m相有关，从而导致高温下陶瓷面层中应力过大而开裂、剥离。加强涂层组织结构检验并采用纳米结构团聚型面层喷涂粉末，能够改善热障涂层的工作可靠性。