基于3D打印的拓扑优化技术在大型民机发动机吊挂设计中的应用

    一、引言

    随着民用飞机不断向大型化方向发展，结构越来越复杂，承受的载荷也越来越大，同时对经济性和环保性的要求也不断提高。吊挂装置将飞机发动机悬挂在机翼下，它是发动机、短舱与机翼之间的过渡部件，是大型飞机重要组成部分之一。吊挂装置传递发动机的推力、承受发动机重量和过载、吸收发动机振动，保证发动机安全的固定在飞机上，其性能的优劣，直接影响到航空发动机和飞机性能的发挥。设计出结构合理、自重轻的吊挂装置，能够减轻飞机重量、降低发动机油耗、改善飞机气动阻力系数，对提高飞机的经济性和安全性有着重要的意义。现役民用飞机的翼吊发动机吊挂装置的材料多釆用钛合金或钢，常用的吊挂结构形式主要有三种：盒式梁式结构、超静定式结构和阻力支柱式结构。未来民机吊挂结构的设计正在向大型化、高强度、轻巧化方向发展，但是如果继续采用锻造等传统工艺，结构优化的改进空间有限。

    3D 打印是一种以三维模型数据为基础的新型制造技术。与传统的减材制造方式不同，它将材料通过逐层堆叠积累的方式构造物体，所以又被称为增材制造(additive manufacturing, AM)。3D 打印最大的优势在于几乎可以用于制造任意形状的三维实体，被认为将会为个性化产品的设计及生产带来革新。增材制造技术放开了加工工艺对设计者的束缚，可以根据最高效的传力路径实现结构的拓扑优化，为设计人员实现“理想中”的最优方案提供了可能，正受到越来越多的重视和关注。

    与此同时，如何才能最大程度的实现结构优化设计，是工程人员面临的一大难题。传统的吊挂结构设计主要依靠经验设计来完成，设计人员根据吊挂承受的载荷，参考已有的结构类型，设计出吊挂的初始模型，然后通过大量的计算、试验，对其修正、优化，从而得到满足要求的挂架，此法消耗大量人力、物力，设计的周期长、成本高。目前国内外最先进的设计理念是在设计周期的早期概念设计阶段就考虑结构设计要素，通CAE 技术对吊挂装置进行虚拟分析，然后通过优化设计技术来改进设计方案。与传统的思路相比，这种流程因前期奠定了良好的优化基础，从而节省了大量反复工作，提升了整个流程的效率。

    有鉴于此，本文针对未来民航飞机发动机吊挂装置结构，首先对传统制造工艺吊挂结构进行了分析，确定其载荷、工况、约束条件和允许的最大位移；然后通过Solidthinking Inspire 软件和Optistruct 优化求解器，对吊挂有限元模型进行拓扑优化设计，并对优化结果进行复核，验证其静强度、刚度是否满足设计要求；最后对优化后的吊挂进行3D 打印工艺验证，实现3D 打印整体成形发动机吊挂的原型验证。