行业动态 | 干货：飞机增材制造结构创新设计，航空工业沈阳飞机设计所王向明

下面是现场速记，或许有些不完美之处，甚至会有错误，但总体上干货信息量很大，值得阅读。本文超7000字，很有价值，可先收藏。

来自航空工业沈阳飞机设计所的王向明设计师，分享“飞机增材制造结构创新设计”。

王向明：各位专家，各位领导，各位同事，大家上午好！很荣幸在这里跟大家分享我们在飞机增材制造应用方面做的一些工作。严格来说我并不是搞激光制造和增材制造，确确实实讲我们是用增材制造的，用增材制造的方法，把我们的飞机结构能够发挥很好的作用。
我的报告分为四个方面，首先是为什么干这件事。我本人是搞飞机的，飞机结构实际上是一个飞行的载体，这里所说的飞机是军用的作战飞机，它的结构非常复杂，跟大飞机比不了，但是跟一般的传统机械相比还是很复杂，有一些标准件。设计制造要求是在机械领域当中比较难的，要求很高，也十分复杂，所以说它是整个飞机的基础部分。
这一块大家感兴趣，我简单说一下，因为我们的飞机结构从50年代初期到现在没有太多的变化，早期的时候基本就是这样几种结构连接。三代机之后，实际上基础设计建设严格严格来说还是制造的东西更多。到了四代机之后，数字化、3D建模、复合材料、钛合金这一块，还有一块，这一块仍然是传统结构的范畴。为什么会出现这样的情况？是因为我们过去只是做结构设计，确切说它不是设计，只是画图。现在看飞机结构的设计，一定要把材料工艺功能这些东西考虑全面，所以现在为什么要区别传统结构，因为它很多，把这些东西区分开，也非常讨厌，占的空间很大，问题很严重。
我们试图从材料工艺，提高规划设计和潜力，但是现在出现了极端情况，这不光是我们，美国也是这样，它都有操控疲劳的问题。所以说飞机发展到现在，操控这是谁都会遇到的问题，大家一定要想出路。不仅如此，其实这个特性比较特殊，一旦飞机需要一代技术的支撑，因为比如传统的老问题在这，寿命提高了，就是重复劳动。新的劳动也做了，现在需要建模，同时要求你知道这一块的问题，这个毛病有很多，我只是举其中的两个。你说在这样一个平台上，同时协调这么多的毛病需求，是很讨厌的一件事，所以最终怎么办？就死猪不怕开水烫。
要突破这个瓶颈，我们在这里面做了一个尝试，就是设计跟制造一定要充分的融合。融合有什么好处呢？过去设计只是设计，制造只是制造，现在增加一块。为什么有这样的体会？因为我在咱们原来做先进制造做了二十年，我们发现我们有一些好的制造技术，很多时候是互通互补的，包括跟625所合作，包括跟其他的渠道合作，我们也尝到了甜头，所以我们提出来设计跟制造一定要深度融合。把制造作为一个约束来考虑。
回头说增材，增材是从激光增材开始尝到的甜头，为什么这么讲？因为增材是遵循自然界的规律，它只要是长出来的，可能玩的花样就多，也就是说对飞机结构的创新也提供了基础。我们现在把飞机结构提出“四化”，但是说起来容易，做起来难，需要把整个链条打通。这里面横格是有要求的，工艺、装配等问题，这都需要在座的来做。如果链条不打通，很难走下去，所以这是需要咱们一起携手把这个链条打通才行。
早期我们也跟别的院合作，我们做了激光创新。大概十年前就把这个技术做了，这是一个小的成就。但是另一方面，事业级的评价也是一个方面，为什么这么说，在座的各位别拍照，我们还是有一些内部的信息，虽然不涉密。设计、评价和研究条例，为什么这么讲，飞机要坐人，一共就三十年，它是保障人的安全。美国也把社会评价作为四大方面之一考虑。我们为什么这样做，就是因为链条打通了，指导思路是这样，把形式、评价和研究做了核验（音），增材方面，物理所还是在成立的时候，第一把它用到，为什么要这样做？就是因为这条链条打通，就是这个概念，思路是这样，但是我们用了有20年的时间，把新的结构，通过不同方法，通过创新形式目的，通过不同的目的，我们大概其实花了300多亿。
现在说一下具体的研究工作，今天说的事跟给大家介绍的不太一样，从我们介绍工作创新性方面，一是把增材制造工艺作为设计约束来看；另一方面，我们运用这些工艺如何从传统二维向三维立体生态结构延伸，另外尝试能不能用增材制造技术做飞机的三条腿，我们叫起落架，这是我们干的事。
因为大家都非常熟悉了，增材也是一个循环，有一个产业链的问题，就是说变形和开裂，但是变形要开裂没有办法，要做大幅度的修改。怎么办？在这种情况下，我们作为设计人员，如何充分利用这个技术来寻找我的生存空间，为结构设计提供服务，这是我要干的事情。按照传统说，你要做一些东西适用于飞机结构，我们如何来实现变革呢？这是我们要干的工作。
首先，第一要把飞机零件做得很大，过去做是很了不起的事情，包括我们国家现在也有一些申请，现在水平高了，可以申请，但是想做出来非常困难，如果把这个技术再掌握就更好了。但是如果用增材，我们提出来的办法就是把它分块，分块还要想着怎么把它连起来。刚才教授也交流，他们也讨论这一块工作，但是你这一块工作也正常，为什么，我注意到一个前提，要分区离散，这里面可以看一下，有一些大的机构，但是如果是小范围做，意义就更大了。
我们带领一些博士生也在做这方面的工作，比如行为的一个描述、仿真，包括变形预测分析，都在做这方面的工作，这很重要，没有这个工作，整个的情况也复杂。把它拼起来，拼起来的过程很麻烦，这里面有一些参数的选择。
但是我跟大家说一下，我们现在做到什么程度，就是我们的实验室做到什么程度。有一个大的量，这等于我们电子束比较好，它的应用的情况也很好。前边说可以分块，也可以连接，现在来看这三位一体。
说到做结构件，我们也有一些问题去进行尝试，比如飞机的前腿，这是中腿，这是起落架，一看有这么大的设备，材料利用率非常低，而且之后也很难降落，一个好的材料怎么用，就是建立一个超规格的起落架的时候，需要怎么做，通过增材找到一个出路，我们提出是这样，仍然是把激光增材工艺作为一个手段，一个是在整个分区离散的时候，做工艺优化的时候，就做了这样的考虑。另外我们在做这些接口的时候，要注意避开这些交叉区域，这实际来讲就是两个方面的事情，前两条是一起的，后两条也是一起的。
除了这个之外，我们发现这个曲线，来做一个尝试，当然这里面在这个里面还做一些深入工作。目前看是介于材料之间的，但是具体怎么看新的材料，这是一个情况。看的效果，比如我做成这样，可以做很大，现在我们做的，我们少了三分之二。另外我们整个有非常大的风险。
第二件事，我们做选区熔化，这个也提了一个新的想法，这个有点绕口。搞了一些新的结构，建立一个设计方法。这个方法建立之后，通过结构供应寻找一些新的路径。这里面我们做了探测架（音），它的频率形状有点像，只不过说我这是毫米级的一个定义，其实并不仅仅是这样。但是它导致行业有一个好处，一旦安装优化了以后，通过优化就可以应用到别的结构，这些结构跟传统的结构不一样，可以赋予一定的功能。比如说我们的隔热结构，这个事，人家说过去结构是死的，这样做有什么好处呢？传统的结构比较轻（音），就是结构是通过什么方式做，各干各的，这就意味着功能系统结构也有同一性。这三个如果弄到一起，这个也有很多，1+1可能会小于2，我们做评估属性，这个有很多，我们做评估，它会在90%以上。当然它也有一些方面，这个设计的基础包括结构属性、功能属性等多种属性。
首先，我们把这个结构做一些对比，这个影响比较大，在这个基础之上提出了一些问题。我们做了这个结构，因为它是一个实验，我们做了实验的设计。我们做了分级，为啥出现这样的普遍性规律？我们做了一个简单的分析。首先从这个角度看，这个时候当随着外部压力增加，它逐渐逐渐开始发生变化。而最开始并没有去做，所以随着载荷增加之后，这个地方开始变为塑性铰，它会出现弹性屈曲，当这个约束点约束的时候，这个时候就会发生节点，这个过程是找的敏感性参数之一，就是这个节点的直径，这是第一。

第二，通过实验发现，我们这个杆直径对承载能力的响应是敏感的，当然0.5增加到0.6，只增加0.1，但是相应增加了多少。当然，这也是举一个例子，真实的情况存在一个分割线，因为每个人每一个件的反映方式呈现规律不太一样，会有一些问题。基于上述的情况我们来讲一个方法，首先节点不行，我们给你加一个直径，作为设计参数考虑进来。第二可以通过优化，把杆的直径也做一个变量加进来，可以在重量和承载能力方面，最后做出来这样的微刚架，是这样的情况。
有了这些东西之后，举一个例子，有了这些基础以后就可以做具体的应用，比如设计制造、结构与功能两个一体化深度融合，可以有无限的花样去创造。比如说我现在搞了一个飞机的核心的环形散热器，这是实验室自己干的，这个直径可以到前面。后面是发动机，这里可以装人，这个东西搞了之后，你会发现它产生很大的作用，很好的效果。
高速飞行器是一个热的问题，现在我们做了这两个之后，比如说我在寻求一个热交换能力和相关密度比值寻求最大值的时候，我把强度、刚度、流阻、工艺约束放在一起比较，会发现它的作用非常明显，它热面温度、冷面温度等等非常明显。还有格栅，这个进行到很大，组合拳。但是这里面设备的承载能力不够，同样用这个方法把这个连起来，连起来仍然比电子束焊接好，好到什么程度，用一组数据就能比较出来，它增材连接比例是1.13：1：18。
综合比较下来，它还是产生了很好的一个成效，比如说做散热器，零件减少95%，后面换热能力提高200%，重量减少39%，强度提高30%。强度，因为过去是焊的焊控（音），包括提到了这个参数。这就叫变革，这就是技术革命，因为搞热结构来看，它现在没连接，包括我们高超，从减重和零件减少的数量效果非常不明显。过去做格栅的东西我们怎么做，它两边也是两层，壁本来就不够，数量没办法，所以这样效率非常明显，这一块没有量化数据。

第三，说一下这个问题，搞的这些东西可以用在飞机上，安全怎么保障？，所以我们搞了一个基于性能考核的方法，建立一个立体性考核的模式。比如说这一大片连起来，连起来以后肯定要回答一个问题，这个连接区域是一个什么东西，你要说明白这个，要说不清楚，就不敢应用，因为这是一个使用安全方面的问题。首先，我们先需要连接区域的各个环节，我跟恒温比，严格来说，我们是没有恒温的，但是有气孔、夹杂、分布的问题，大的有余高、焊根、焊趾的问题，小的气温是存在的。怎么办？做一个文件夹，打个包，来处理，是这样。
这个东西它核心是用相当于各种情况的疲劳极限情况的总和，最后应该把它的情况关系搞清楚，这个方法书里有。这个方法能干什么？能算疲劳寿命，而且能算KT，通过这两个参数快速比较出来，哪两个材料东西组成的效果好，这个周期的时间。最后只有十天的时间，就能给出总和方案的结果，这是最希望的。比如说做一个比较，包括增材连接等等，看谁的效果更好。
提出质量一致性的检验方法，过去搞多能件的时候都要取样，搞一个P去取样。其实作为增材来说，它的扫描方法千差万别，这样还是按原来的方式去取样，可能就拿不到真实数据，你一定要和扫描的方式、扫描的规律，要针对它进行合理的取样。这严格来说相当于一个变量，工艺的变量和调整，而不是一成不变的，我画了示意图，就是这个意思。
接下来一条，我还要去验证方法，这是覆盖六级成熟度的东西，只有不断验证，通过性能考核，绝大多数它死在这了，所以这是我们实验室搞制造技术研究实验室做的工作，走到四五级以后很难，基本上死了，一个是经费的问题，一个是时间的问题，一个是大家都说是孤岛，你有什么问题你不知道，我有什么问题我不知道。再制造就是好，你怎么不用？用得少，我实验暴露什么问题，可以针对它改进。咱们现在是什么，你需要做实验我回去做实验，不行。有很多重材做实验，什么东西都不告诉你，能用不能用，存在什么问题，他们都不知道。
所以在这种考虑下，你很难做，打不通，你也不知道设备方、应用方要什么东西，这条路径没打通，为此我们说这个平面一定要打通，你说这个材料有什么区别，我放的图就是传统积木式验证。最主要的区别就是考核跟设计迭代、工艺迭代。我们过去跟北航合作，第一个把组合结构件用在飞机上，为什么，就是因为没有这个必要。这个事你们想象一下，不是时间的问题，而是我能暴露它的情况。因为中材的个性化太强了，这样能控制风险。当然，这里边不是一个简单的事，标准的事没说清楚，典型件更说不清楚，需要建立大量的标准规划在里边。
在这方面做的验证工作也比较多，我做了一个二维的图，横向的是结构，除了结构之外，我们认为结构可能会朝智能化的方向发展。纵坐标就是发展方向，我个人一直认为，目前增材制造解决三个方面的问题：
第一，传统工艺存在的瓶颈已经突破。
第二，在新车也好，怎么快速试制。
第三，传统解决不了的，通过创新解决，提供创新平台。
第四，未来可能是跟智能制造相关。里面都是我们做过的项目，空白的区域是以后要做的。
我们验证的东西比较多，包括13类构件，还有4种增材制造成形工艺，包括八种材料。
说一下技术指标对比。首先我们在减重、寿命、零件、功能、成本这一块，现在来讲应该说保持很多的唯一。第一，比如在尺度上和重要度上，就是飞机组成的结构，尺度做得最大，4米多长，5个平米，现在是最大的，而且是飞机的结构上，包括我们刚才说的散热器，用人的喉咙。国外有的，比如说电子束这一块，我们下一步还要验证。包括立体的结构，因为美国人做的是焊接，我怎么做这个散热器呢？发动机的结构。
第二个唯一，飞机应用增材制造技术体系，13类构件，4种工艺，9种材料。
第三个唯一，非常增材制造构件单机用量，歼-31飞机。
第四个唯一，应用进程，2008年可以做到这样一个大的东西放到飞机上，2012年做了一个电子束增材制造钛合金整体构件2012年应用。空客A350激光铺粉角盒2017年应用。波音787等离子沉积支架、角盒，是支架，小东西。
还有美国曾经针对F18和F15做的验证，AeroMet2005年倒闭，新的电子束熔丝翼梁2005年开始，但是国外比我们更严格。
最后看一下应用效率，我们跨越三个里程碑。第一个里程碑2005年次承力结构小件放在飞机上，2008年、2012年，这是三个里程碑。
2005年是这样，2008年是这样，第三个里程碑，你看它产生的作用，过去很多零件拼在一起，现在很多零件分段的数量减少三分之二，这个效果非常明显。
在这里我吹一下牛，今天我们还是开辟金属增材制造构件在飞机上工程化应用的先河，为什么这样说？我把这个年份标出来，红的是我们航空601所，蓝的这三个点是欧美等国的报道。综合起来，这一块中国人还是可以吹吹牛的，到目前为止，中国人是第一的，没有第二个。包括前前的时候，我们开了一个增材国际研讨会，很多的工程师都问我们，怎么可能？不可能，我说你把它分开就行了。你想到就很简单，没想到就很难，就是这个意思。
最后我想了一下，我们在这个东西推进的过程中，我本身并不是说说增材制造做到什么程度，我就是用增材制造的，但是从设计的角度，怎么把它充分设计到一块，这是我们要研究的。首先我要把公约数作为整体的创造。第二，利用增材做了很多功能结构。第三，做了自动化的应用。飞机结构现在搞成这个样子，现在就会产生一些变化。第二，功能结构搞在一起，现在也不用了。第三，增材制造目前在飞机应用技术一块，我们还是走在前边。谢谢。

提问：我想问一下现在的标准化情况？
王向明：谢谢这个问题，你说的这个很关键，关于增材制造的一个问题，提了四个难点，因为这个东西跟传统制造工艺最大的差别就在于说它个性化太强，个性化太强没有相应的标准规范约束它，那未来就搞乱了，所以这一块非常关键。因此，欧洲专门针对增材标准提出了发展的进程，美国的国防部增材制造部门也提到了这个方面，这一点很重要。但是中国人大部分不太讲规范，规矩性差一些，基本各干各的。我们现在的做法是这样，刚才讲了，有关增材标准规范我们现在已经建了96项，特别针对非标这一块。其中我们现在把手伸到了增材装备这一块，因为现在也是三个方面，这一块必须得从装备和工业这一块开始介入，但是材料怎么办，严格来说就是全部的链条都要把标准规范建起来。但是为什么说我们现在没有这些东西的时候，把大量的东西用到飞机上去了呢，就是因为飞机设计的稳定性不太一样。民用飞机的设计是用什么优势，主要三个方面，适航性规范。我们经济设计是按结构完整性要求来的，结构完整性是强度、刚度、耐久性、损伤性四个方面，这四个方面只要验证充分，我就允许你适用，就能达到这个结果。
但是说每一级别的时候，你怎么去约束你自己，这就是对技术的理解。在你深知标准之前，我自己内部是有相关的技术条线，刚才我画的模式有六级，实际上概括的话就是三级考核，小试中试大试。小试的时候试人试画（音），考核材料工艺属性，这有好多的文件可以参考，也可以拿来用，特殊非标的自己建。第二是中试，这个东西集中考核，考核你的物理属性，功能属性和结构属性，这几种考核，因为它与产品直接挂钩，这需要自己举例。更多的我说好的技术死在这一块，第一，你没有参考的依据。第二，你不知道人家干啥。第三人家做的他不告诉你。最后一块，大尺寸和全尺寸的考核，这个严格来说是考核产品有效性的，很容易过，别把中间的环节砍掉了，就跟做项目一样，做论文一样，把关键的技术解了就很好解决，关键技术解决不了，问题在这，所以标准规划这一块，现在建了很多。但是不叫标准规范，我们自己内部就叫约束条件，自己约束自己，它有标准。现在严格来说还停留在企业的阶段，还没有作为行业，或者作为更严格的标准存在，这个意思。

激光制造与再制造技术及应用研讨会介绍

会议以激光技术、增材制造及再制造相关光电技术为主题，针对航空航天交通领域高质量复杂产品的全产业链以及全寿命维护等迫切需求，开展面向增材制造及再制造的设计、材料、工艺及装备、检测以及标准规范等相关光电技术应用研讨，提升增材制造及再制造技术的数字化、智能化、高稳定能力，驱动中国制造高质量发展。