整机拓扑优化和整机3D打印的“中国方案”
随着民用飞机经济性、安全性、舒适性、环保性的不断提高，飞机结构越来越向大型化、复杂化方向发展，同时结构承受的载荷也越来越大。因此迫切需要新的设计理念和制造工艺来实现结构“减重增效”。
在这样的背景下，飞机整体拓扑优化和整体3D打印越来越受到人们的关注，已经成为一种不可阻挡的趋势。本期优化讲坛，笔者分析了飞机整体拓扑优化和整体3D打印的可行性，并且给出了一种整体拓扑优化的概念方案。如果说3D打印飞机机身整体结构是未来趋势的话，那么复合材料机身整体制造已经是事实现状。B787飞机是波音公司最新研制的一款大型民用飞机，其复合材料使用量首次达到50%。787飞机机身结构总体布局分为前机身、中机身、后机身三部分、6个筒形结构段。其制造工艺最突出的特点之一就是机体采用了整体成型的筒形结构，这对过去的壁板整合结构是个革命性的改变。机身在一个直径5.74m（相当于机身内径）的模胎上用铺带/铺丝机将预浸料缠绕成一个筒形件，并留出窗口位置。模胎上有与长桁、大梁外形一致的槽，在缠绕前预先放置由碳纤维预浸料铺设压实而成的长桁与梁。缠绕时模胎在设备上转动，缠绕后退出模胎。波音公司拥有世界上最大的复合材料热压罐，比飞机机身直径还大。将机壳与梁、长桁一同进入23.2m×9.1m的热压罐共固化，成为一个整体的复合材料机身段。机身整体制造的优点在于：（1）大量减少了连接件，减少了结构重量和装配工时；（2）机身的气密性以及抗疲劳性能大大提高；（3）生产效率大幅度提高，有利于降低生产成本。洛克希德·马丁是一家美国航空航天制造商，以研制隐形飞机和侦察机而闻名的“臭鼬工厂”就是来自洛马公司。目前，洛克希德·马丁公司正在研究大部件的增材制造技术，并打算最终用于飞机的整体制造。近两年，空客集团针对新一轮工业革命发展潮流，提出了“未来工厂”建设构想。在“未来工厂”中机器人技术、虚拟现实技术、3D打印技术等最新的先进制造技术创新成果将实现应用。在这个全自动化过程中，体现未来制造业的三大趋势：灵活的生产网络、现实与虚拟生产的无缝融合、物理信息融合系统深度应用。未来飞机的壁板将加强筋整体3D打印到蒙皮上，而且还对加强筋做了拓扑优化设计。这样的壁板结构不仅能够减轻重量，而且壁板的强度、刚度、抗疲劳性能也将大大提高。空客公司不仅谋划了未来工厂，还公布了未来飞机的模样。下图中这架整体拓扑优化的飞机就是空客准备在2050年制造的概念飞机。该飞机机身采用了全透明拓扑优化设计，乘客坐在飞机内可以一览无余地欣赏蓝天白云。（建议恐高者慎坐）结构优化工作室的设计师综合分析了飞机在飞行中的气动力、机动时的惯性力、着陆时的地面反作用力等上百个工况，从中提取了最典型的12个工况，作为全机结构优化的输入条件。全尺寸的拓扑优化机身概念设计方案，堪称中国版的“未来飞机”概念设计。期待整机3D打印正真实现的那一天，我们的整机拓扑优化设计方案也已经成熟，在蓝天下与国内外设计师们一较高下。
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