面向增材制造的導彈結構優化設計綜述

柯林達，張小龍，崔 哲，顧銘峰，賴彩芳，劉 勇

（1.上海航天精密機械研究所，上海 201600；2.上海金屬材料近凈成形工程技術研究中心，上海 201600）

0 引 言

近年來，隨著我國新興產業加快發展，航天裝備升級換代節奏也在不斷加快。目前圍繞航天裝備、精確打擊武器等方向的研究日益受到重視，高性能新一代航天裝備快速研發將進入新階段。因此導彈必須在極高的飛行速度下滿足射程遠、航時長等性能要求，這對導彈結構系統結構優化設計提出了嚴峻挑戰，而在導彈研發和結構優化上，增材制造技術擁有獨特的優勢［1］。

增材制造技術是一種將粉末/絲材逐層快速熔化、快速凝固后形成立體零部件的新型制造技術，其工藝原理如圖1所示，主要包括2類：① 預置材料方式增材制造；② 同步送料增材制造。該技術工藝種類較多，從材料物理狀態、輸送形式和能量種類的角度詳細分類，如圖2所示。

圖1 增材制造原理Fig.1 Additive manufacturing process diagram

圖2 增材制造技術分類Fig.2 The classification of the bdditive manufacturing process

金屬構件表面相對粗糙，一般需要加工處理后才能使用，其同步送料增材制造主流工藝是激光熔融沉積技術（laser melt deposition，LMD）和電弧熔絲增材制造技術（wire and arc additive manufacturing，WAAM）。

預置材料方式主流工藝是激光選區熔化成形技術（selective laser melting，SLM），其成形精度高（±0.1 mm），表面質量好（Ra3.2～12.5 μm），可直接制造精密復雜構件，非裝配面無須機加工，可直接使用。SLM技術由于其工藝約束小，可以實現傳統方式無法實現的輕量化點陣結構、拓撲優化和仿生結構等，在導彈結構研發和制造方面具有不可比擬的優勢，為導彈創新結構設計提供了制造工藝基礎，帶來了全新的設計理念。

先進結構設計與制造方法的深度融合已成為未來發展的重點方向。2012 年2 月美國公布的《先進制造業國家戰略計劃》正式將先進制造業提升為國家戰略，提出建立“國家制造業創新網絡（NNMI）”。在此體系下先后成立了“國家增材制造創新中心（NAMII）”和“ 數字化制造和設計創新中心（DMDII）”，從制造和設計兩方面構建國家級研究平臺。NAMII 公布的技術路線圖中，5 個研究領域中首要的為“設計”；DMDII2014 年11 月發布了“Army Manufacturing Technology Program”計劃，在項目“Additive Manufacturing for Optimized Missile Components and Structures”中，明確提出發展結構拓撲優化和增材制造技術，并應用于導彈結構研制［2］。

國內外對增材制造技術在導彈武器研制領域的關注度很高，有資料表明，國內外正在將增材制造技術用于巡航導彈等超高聲速武器所搭載的發動機關鍵零部件，如圖3 所示。增材制造技術不但突破了彈頭制造中加工位置的限制，還可以有效改善導彈的熱力學性能。我國已實現了某型號導彈產品復雜結構的增材制造，并實現了輕量化生產制造，為新一代導彈結構發展提供了有力支撐［3-4］。2014 年美軍航空與導彈研究發展中心以及馬歇爾太空飛行中心成立了增材制造中心，主要從事增材制造技術的研發。增材制造技術正在改變全球產品的設計和制造，而太空則是它大顯身手的舞臺。在美國亞利桑那州，Raytheon 公司設計部門早在2016 年就進行了增材制造導彈部件的測試工作，該技術在導彈上實現既強又輕的使用目的。作為全球制造導彈最大的生產廠家，盡管如今增材制造零部件只能代替某些位置，但是未來打印整個導彈是可以實現的。同年，美海軍的軍備供應商洛克希德馬丁公司宣布成功試射三叉戟IID5 導彈，導彈內部電纜的連接處采用增材制造零件進行保護，在試射過程中表現良好［5］。俄羅斯《獨立報》刊發一篇名為《3D 打印俄羅斯“戰斧”導彈的發動機》稱：俄羅斯開始籌備3D 技術創新平臺，組建增材制造中心，主要任務是研究多層堆疊制造燃氣渦輪發動機零部件［6］。相比于傳統制備工藝［7］，采用增材制造技術，由于結構工藝性約束減小，其復雜結構可實現性大大提高，彈體結構設計有如下優勢。

圖3 導彈結構優化與增材制造應用實例Fig.3 Missile structural optimization based on additive manufacturing

1） 可實現多個零件的整體化結構設計制造：受限于傳統工藝，較多復雜構件難以直接制造，通常先采用分體制造，然后再實施螺接、焊接等工藝步驟，實現整體結構制造：而增材制造技術結構工藝約束小，可實現多零件整體化制造，結構整體剛度和穩定性獲得提升。

2） 可實現超輕結構設計制造：受限于傳統制造方法的工藝約束，輕量化結構主要是薄壁加筋、框架等結構，但是加強筋和框架結構形式是有限的。采用增材制造技術，可實現蜂窩、點陣、拓撲等結構，為結構的輕量化設計帶來了全新的思路。

3） 可實現復雜的內流道結構設計制造：采用增材制造可以實現變截面、空間分布的復雜內流道結構設計制造，為功能優先的流道結構設計提供了支撐。

4） 可實現不同材料梯度功能結構設計制造：增材制造可實現多材料打印，實現強度、韌性、阻尼等性能要求不同的結構整體化制造，為功能結構一體化設計制造提供了新思路。

5） 可實現特種性能的仿生結構設計制造：增材制造技術可實現竹子、龍蝦尾，以及蜻蜓翅膀等仿生結構設計與制造，為實現超性能結構的工程應用提供了技術途徑。

綜上所述，增材制造在結構設計與制造的優勢，可顛覆傳統設計思想，讓設計師從功能需求角度出發，開展創新型結構設計。創新型結構設計與增材制造技術的協同融合，必定是導彈領域突破性的發展方向。

1 導彈結構優化設計

1.1 靜力學設計

根據中國空間技術研究報告，我國現有航天器的結構質量占比大于20%，在未來需要將結構質量占比降低至6%。輕量化設計已經成為我國航空航天工業快速發展亟需突破的關鍵瓶頸技術之一。

輕量化作為一種產品設計理念，最早起源于賽車運動，主要通過材料、結構、工藝三個維度來實現［8］。材料是基礎，工藝是實現方法和手段，設計是以產品結構功能實現為核心目標，協調材料與工藝設計的（科學）藝術。隨著先進材料與制造工藝技術的發展，現代產品設計已經逐步從“工藝優先”設計模式向“性能優先”設計模式轉變。增材制造與現代結構（拓撲）優化設計方法之間的互補是實現飛行器結構輕量化和性能提升的有效手段。

拓撲優化結構設計是目前結構優化設計領域的重要研究方向之一。根據預先設定的負載工況、邊界條件和技術指標，對設計域內的材料分布進行優化以實現舵面結構優化，如圖4所示。其中，變密度法是結構優化設計中常用的一種優化方法，該方法以單元相對密度作為連續設計變量顯式，表達其與材料彈性模量間的函數關系。變密度法可以計算出最佳的傳力路線，具有程序二次開發易實現、計算效率和精度高等優點［9］。

圖4 典型舵面結構優化設計Fig.4 Optimal design of typical rudder surface structure

隨著結構拓撲優化方法的發展，許多學者針對不同領域（動力、傳熱、聲學、材料設計等）的工程需求進一步探索拓撲優化方法。武姝婷［10］針對基于SLM 增材制造工藝的輕量化設計，分析了SLM的輕量化設計需求及國內外研究現狀；從SLM 技術的工作原理入手，研究了零件結構輕量化設計的約束，針對設計約束提出結構輕量化設計規則及方法。周松［11］提出了基于SLM的金屬增材制造輕量化結構設計規則，結合SLM 技術的成形原理及輕量化的結構設計，以公理設計體系為基礎，分析了設計要求和約束，制定了金屬增材制造輕量化結構設計流程。

變密度法作為拓撲優化設計的熱門方法之一，已經被廣泛用于多約束條件、多物理場和多材料復雜情景下，同時還被應用于國內外主流結構優化設計軟件的內核中，如solid Thinking Inspire 商業軟件等。通過solid Thinking Inspire 可以進行結構拓撲優化，并根據優化后的材料分布進行模型重構，優化后的結構設計可以通過增材制造方式實現。結構拓撲優化結合增材制造方式已經在醫療、汽車、航空航天等領域得到了廣泛的工程化應用［12］。在飛行器結構優化設計中，從最初的零件結構優化逐漸發展到部件結構優化和全機結構總體優化，如圖5所示。

圖5 結構優化在飛行器設計中的應用Fig.5 Application of structure optimization in aircraft design

1.2 動力學設計

在結構動力學設計中，結構動態特性與動態響應兩方面備受關注。其中，結構動態特性包含結構的固有頻率、陣型、頻率間距、特征頻率與激勵頻率差值等。相較于提高結構動態特性，優化結構的動態響應能夠更加顯著地提高結構的動力學性能指標。動態響應是將結構在動力激勵作用下的物理響應作為設計對象或目標，如加速度、應變等。對結構動態特性的優化實質上仍然是對結構響應的優化，由于直接以動態響應作為目標的求解過程復雜，同時拓撲優化算法的穩定性也較差，因此，相關研究的工程應用仍然較少。

李宗翰等［13］基于獨立連續映射方法（independent continuous mapping，ICM）對頻率約束下質量最輕的拓撲優化目標進行了探究計算，最終解決了在動力學拓撲優化過程中經常遇見的模態交換和局部模態等問題，并基于Patran 軟件開發了相關的工程應用程序。張錦江［14］采用序列線性規劃法進行了結構動力學優化設計，目的是解決在多階固有頻率約束下導彈等軍用飛行器動力學優化問題。劉遠東等［15］基于材料屬性有理近似模型（rational approximation of material properties，RAMP）分析探討了以結構頻率最大、柔度最小加權系數為優化目標的連續體結構優化問題，創建了材料和結構兩個維度上的一體化優化算法。王帥等［16］針對航天飛行器管路結構輕薄、力學環境惡劣、使用應力大、易產生低周疲勞等問題，對管路結構動力學強度分析中常用的Steinberg 快速評估、基于統計模型的頻域疲勞分析等理論方法及技術要點進行了總結。此外，姜節勝等［17-18］分別研究了基于頻率約束、頻率概率約束下連續體結構的拓撲優化設計方法。

Ma 等［19］分別基于均勻化方法研究了簡諧載荷作用下的動柔順度最小化問題及柔性機構的優化設計問題，得到了合理的優化結果。徐斌等［20］基于漸進結構拓撲優化方法建立了以簡諧響應為約束的拓撲優化模型。左凱［21］利用伴隨法求解動位移響應的靈敏度，并基于ICM 方法建立了拓撲優化模型，對結構相關自由度的振幅平方進行了優化設計。Olhoff等［22］對簡諧載荷作用下的結構動柔順度進行了拓撲優化設計，發現當激勵頻率低于初始結構共振頻率和高于共振頻率時，拓撲優化結果差異明顯。Shu 等［23］基于水平集方法研究了簡諧載荷作用下的結構位移幅值最小化問題。

在實際工程中，對如何降低由動載荷作用引起的結構振動頗為關注。在結構表面附加高阻尼材料被認為十分有效。目前，考慮減振結構中阻尼材料最優布局的結構動態響應拓撲優化研究與應用相對較少。AL-AJMI［24］研究了以能量消耗最大化為目標函數的阻尼材料最優分布問題，并利用逆均勻化方法優化設計出最大化黏彈性阻尼材料的剪切應變能。Zheng 等［25］利用遺傳算法研究了以減小結構振幅為目標的圓柱殼表面矩形阻尼材料的最優分布問題。Kim 等［26］以削弱某一頻率范圍內的振動程度為目標，對結構表面附著阻尼材料層的位置和形狀進行了優化。Chia 等［27］將元胞自動機算法應用到阻尼材料層的布局優化中。馬晶等［28］以動柔度及瞬態響應為目標函數，對薄板結構阻尼材料層進行了拓撲優化。

從以往研究情況可以看出，只有結構動態特性優化在工程實際中得到了廣泛應用，其他結構動力學拓撲優化的應用還局限于小規模有限元自由度，與工程應用仍有較大差距。一方面優化結果中存在大量中間密度單元、結構靜剛度較差等問題，還需要進一步解決；另一方面工程實際中很多結構是用來支撐各種功能組件的，因此，還需結合結構動力學性能的結構布局優化方法。

1.3 多物理場耦合設計

增材制造技術在耦合動力學領域也有廣泛的應用，目前相關的研究主要集中在氣動彈性領域和力熱耦合領域。

1.3.1 氣動彈性領域

王忠睿等［29］采用光固化增材制造技術加工樹脂氣動外殼和機加工金屬強化骨架的復合結構方案，設計并測試了某型號飛機的低速全機測力模型，采用計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）與計算結構力學（computational structural mechanics，CSD）分析技術，對模型的設計進行了強度校核。

劉燚等［30］采用單梁設計機翼，翼肋采用光固化增材制造材料與主梁進行分塊單點連接，減少附加剛度影響，建立大柔性飛行器非線性靜氣動彈性氣動力方程，開展了大展弦比飛機靜氣動彈性風洞試驗驗證（如圖6 所示），采用氣動力有限基本解與機翼的耦合計算，發現了大柔性飛機大變形狀態下載荷及結構變形形式隨風速的變化規律。

圖6 飛行器風洞試驗Fig.6 Wind tunnel test for aerocraft

劉燚等［31］采用激光選區燒結工藝并使用尼龍材料打印拓撲優化翼段結構，以大展弦比機翼翼段為研究對象，機翼氣動載荷由CFD/CSD 耦合數值計算方法獲得，載荷分布考慮了氣動彈性變形下載荷大小和分布形式的變化。拓撲優化采用密度法，以結構減重指標為約束，以整體柔度最小為目標，采用商用軟件開展分析。

張斌［32］利用激光選區增材制造技術設計制造了具有不同幾何參數的短艙外伸小翼?；贖amilton原理并利用彈性機翼有限元模型，先建立了傾轉旋翼/短艙/外伸小翼/主機翼氣動彈性耦合分析模型；再通過回轉顫振穩定性分析，預估分析模型的回轉顫振臨界速度和邊界速度；最后結合風洞試驗，開展了外伸小翼對回轉顫振抑制的效果及設計參數的影響規律研究。

賴晨光等［33］通過光固化增材制造技術制作了采用常規帶端板尾翼以及多種新型尾翼的汽車優化模型。翼型利用準均勻B 樣條曲線進行擬合，并使用雙向流固耦合的分析方法，實現了穩態流場與靜力學結構的耦合計算，考慮了靜氣動彈性對裝備了小翼的汽車尾翼產生的實際作用。在三維流場中分別對考慮與不考慮靜氣動彈性影響的新型小翼翼型及其對應形狀各參數進行了多方位結構優化設計。

周丹杰等［34］利用增材制造技術打印了低速加顫振試驗模型，并將其應用在X56-A 飛機的試驗模型制作中。地面模態試驗和風洞試驗皆證明了此方法的可行性。

1.3.2 力熱耦合領域

某研究所技術人員［35］成功突破TA15 和Ti2AlNb 異種鈦合金材料梯度過渡復合技術難題，其采用激光熔融沉積增材制造試制出具有大溫度梯度一體化鈦合金結構進氣道試驗件，并順利通過了力熱聯合試驗。

張南［36］研究了基于多層微桁架夾芯熱防護結構的力學與隔熱性能，并采用先進增材制造技術制備了多層微桁架夾芯壁板，以及一種主動冷卻和承載一體化的含流道微桁架夾層壁板式熱防護結構。隨后該團隊研究了微桁架夾芯壁板的力學性能，并采用實驗方法和數值仿真技術，硏究了含流道微桁架壁板的隔熱和力學性能。

袁勝剛［37］針對負泊松比蜂窩夾層板，提出了一種分區域尺寸優化的方法，并將該方法應用在需要承受熱力耦合載荷作用的翼舵結構上，最終得到既滿足應力、位移、幾何等約束條件同時質量又輕的結構，對工程實際中翼舵結構設計具有一定的指導意義。

郭培強［38］利用ABAQUS 軟件對Ti-6Al-4V 金屬合金材料在電子束熔融增材制造過程中的熱力學耦合行為進行了模擬分析?？紤]到粉末的融化和固結會造成材料熱屬性和密度的變化，提出了改進的熱傳導分析模型，并分析了打印過程中熔池的幾何尺寸，得到的結果與實驗結果高度吻合。

2 結束語

在現實中使用傳統工藝制造具有復雜幾何構型的拓撲優化結構有較大困難，通常需要在結構優化過程中加入尺寸、對稱等約束條件，才能保證結構的可制造性，無法發揮拓撲優化設計的優勢。增材制造技術能夠直接從CAD模型制造復雜結構，讓設計減少了工藝約束的限制，拓寬了結構的設計域。產品設計可以“基于功能優先”原則展開設計，有利于提升產品性能。

結構優化與增材制造技術的融合是國際學術界對設計與制造領域未來發展方向的共識，也是必然趨勢。如何實現增材制造與結構整體構型設計的完美融合，是充分發揮增材制造的工藝優勢、突破傳統設計模式和加工工藝瓶頸，進一步實現航天武器裝備結構輕量化、體積小型化、功能集成化的關鍵。