0 引言

姿轨控发动机是运载火箭末级和各类航天器进行变轨和姿态控制的动力装置^[1],包含液体火箭发动机、固体发动机、离子发动机等。其中,星载液体火箭发动机往往多个一组、通过支架安装在航天器上。内嵌流道的一体化支架将燃料和氧化剂管路集成于承载支架中,同时满足流道功能和承载性能要求,通过集成式多功能设计实现结构减质,提高航天器的轻量化水平。然而,集成式设计往往造成结构外形复杂、加工难度大的问题,设计中不但要兼顾多功能与轻量化,还需要考虑工艺性。拓扑优化(topology optimization,TO)与增材制造(additive manufacturing,AM)组合技术的日渐成熟与融合发展为内置流道一体化支架的设计提供了新的技术途径。

拓扑优化技术已成为结构创新设计的最有效手段。拓扑优化方法大致可分为3类:①将有限元单元作为基本设计要素的密度变量法,包括均匀化方法^[2](homogenization method)、各向同性实体材料惩罚法^[3](solid isotropic material with penation, SIMP)、渐进结构优化法^[4](evolutionary structural optimization, ESO)、独立连续映射法^[5](independent continuous mapping, ICM)等; ②基于几何边界描述的水平集方法^[6](level set method, LSM)和相场法^[7]; ③特征驱动的结构拓扑优化方法^[8](feature-driven structure topology optimization method),也称为可移动变形组件法^[9](moving morphable component)。关于拓扑优化的最新进展可参阅文献[10-12]。

增材制造技术因其三维“离散堆积”工艺特点,改变了产品的制造方式,极大扩展了包括复杂结构的可制造性空间,是制造原理的一次革命。面向增材制造的结构拓扑优化设计已成为国内外学术界和工业界的研究热点。近年来,国内外学者对拓扑优化与增材制造的运用展开了多项研究。Gebisa等提出了面向传统制造设计到面向增材制造设计的范式转变,避免设计制造中花费大量时间的重构与再分析^[13]。Zhu等系统总结了通过拓扑优化和增材制造相结合实现高性能、轻量化整体功能部件研制的研究现状^[14]。Meng等提出通过在增材制造过程中加入压痕等无损/原位检测以实现设计—工艺—检测的一体化^[15]。

拓扑优化技术已逐步在航空航天领域支架类结构设计中得到应用。针对发动机支架的结构设计,何康康在综合姿控发动机舱内布局、空间尺寸及位置等因素基础上,提出不同结构和不同材料一体化设计的姿控支架方案^[1]; 谷小军等考虑变形、质量、设计空间等设计要求开展了火箭发动机机架一体化优化工作,讨论了发动机机架与舱段传力结构间连接区域参数对整体结构设计的影响规律^[16]; 邢向亮等对原支架结构进行了拓扑优化分析并根据密度等值面分布图对结构进行人工处理,证实拓扑优化结构更加符合设计要求^[17]。

增材制造特别适合含气动/流道型面结构的制造,而相关结构优化设计的研究尚处于起步阶段。王军润等为摆脱传统加工方式的限制,建立了针对某航空液压壳体管路的造型优化方法,优化后的结构相较原结构力学性能得到显著提升^[18]。Shi等针对发动机重载接头,建立了面向SLM(selective laser melting)工艺的完整设计—制造—试验流程,但研究对象为单一的承载结构,并没有功能型面及非承载功能要求^[19]。Song等针对高速飞行器全动舵提出了一种面向增材制造的含气动外型面结构的优化设计流程:在拓扑优化中以性能优先为原则,在满足轻量化要求下提高力学性能并获取构件的主传力路径; 面向增材制造再设计中,以保证功能型面加工质量、减少工艺增重为原则确定打印方向,以降低力学性能损失为原则选择清粉孔的位置,二者均通过构造优化设计问题实现定量化设计^[20]。这一工作解决了航空航天结构中功能型面不可更改且影响打印方向,结构必须同时满足功能、承载、工艺要求的设计难题。

在上述背景下,针对发动机一体化支架结构必须同时满足流道功能、承载、工艺以及轻量化问题,本文提出了一种面向增材制造的含内置流道结构拓扑优化设计流程。在保留内置流道功能型面基础上考虑力学性能及轻量化要求对一体化支架进行拓扑优化设计。依据拓扑优化结果对一体化支架结构开展模型重构并进行力学性能校核。考虑增材制造工艺性,完成重构优化设计方案的打印加工。

一体化支架结构及主要尺寸如图1所示,主要由底座、支架及内置流道结构组成。底座的支耳用于支架结构固定,底座与支架上含有多个星载液体火箭发动机安装接口,内置流道由底座向上延伸至支架顶部。

图1 一体化支架原设计方案示意图
Fig.1 Original design of the integrated bracket

如图2所示,一体化支架在工作过程中需要承受6组大小不一的静推力,同时还需承受内置流道中5 MPa的流体内压力。支架结构拟采用TC4钛合金制造,材料性能参数如表1所示,原结构质量为5.262 kg。根据设计要求,一体化支架在保持发动机安装接口、内部流道功能性前提下,结构最大应力不超过200 MPa,最大位移不超过0.8 mm; 同时为满足轻量化要求,期望减质40%。

图2 一体化支架推力载荷示意图
Fig.2 Applied thrust loads on the integrated bracket

表1 TC4材料力学性能参数
Tab.1 Mechanical properties of TC4 titanium alloy

一体化支架在进行生产加工前,需考虑增材制造工艺性。由于打印角度不同,支架结构所需的支撑数量及位置会产生变化,随之结构的打印质量也将因此受到影响。故进行打印前,需选择合适的打印角度以防止出现功能型面受损、支撑数量过多、支撑去除难度大等情况。为保证流道内壁加工质量,采用如图8(a)所示的放置角度; 同时,由图8(a)可知优化设计方案开敞性好、打印支撑易去除。增材制造全尺寸样件如图8(b)所示,在去除支撑后仅对安装面进行了机械加工。

图8 一体化支架打印支撑及样件图
Fig.8 Model for additive manufacturing and sample part

需要指出的是本文研究的构件开敞性好,因此支撑结构都易于去除。若构件结构复杂,可能存在难以去除的支撑结构,则必须进一步改进优化设计。一种思路是在拓扑优化中考虑悬空角约束,即设计自支撑结构,相关工作可

参考文献[14-15],然而根据作者经验,这种思路往往会造成结构承载性能的大幅下降; 另一种思路是将难以去除的支撑结构留在最终的零件上,这就要求尽可能减少无法去除的支撑结构导致的工艺增重; 可构造优化问题寻找工艺增重最小的打印方向,详细思路可

参考文献[20]。

本文针对星载发动机一体化支架必须同时满足流道功能、承载、工艺要求的轻量化设计问题,开展了面向增材制造的一体化支架结构优化设计、优化模型重构及校核分析,并完成了增材制造全尺寸样件加工,主要研究结论如下。

1)一体化支架结构通过拓扑优化设计,在满足内置流道和承载性能要求前提下,减质40%以上,全尺寸样件表面优化设计方案工艺性好。

2)建立的面向增材制造的内置流道一体化支架设计流程易实施、易推广。首先,提取功能型面为非设计域,保证了内置流道的传输功能; 然后,在满足轻量化要求下以提高力学性能为目标,通过拓扑优化获取结构的主传力路径; 最后,以保证功能型面加工质量、减少工艺增重为原则确定打印方向、生成支撑结构并评估其可去除性。这一设计流程能够兼顾一体化多功能支架的功能、性能和增材制造工艺性,为同类结构研制提供了新方向,具有广阔的推广应用前景。