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设计师必看，飞行器结构优化设计的关键问题！

新世纪以来，先进制造技术的发展极大地促进了我国航空航天技术与高端装备的进步，

其中以增材制造为代表的整体结构构型制造工艺正成为实现下一代航空航天飞行器结构系

统轻量化、高性能和多功能研制的有力保障，也极大地促进了结构整体构型设计理论与方

法的发展。

在飞行器结构的研制过程中，结构的整体构型使结构主承力框架、次承力件和设备安

装支架等承载环节实现整体化构造、一体化布局和紧凑性、轻量化构型设计，可最大限度

地减少结构的工艺分离面，省去受限于制造工艺而添加的过渡辅助结构特征和连接件，大

幅提高结构完整性。《飞机设计手册》明确指出，大型复杂结构件，尤其是主承力结构件

采用整体构型设计，不但可以减少零件数目、降低结构重量，而且飞机结构效率、承载性

能和可靠性可成倍甚至数10倍提高，可以说结构整体构型是先进飞行器设计与制造技术

进步的重要标志之一。随着新型飞行器性能要求的不断提高，结构整体构型设计已经超越

了传统的结构传力路径构造和承载的一体化范畴。当前，结构承载性能与防热、减振、降

噪、电磁等多功能、多尺度、跨学科的一体化设计与制造显得越来越重要。

近年来，作为整体结构构型设计的基础，以拓扑优化为代表的结构优化设计理论与方

法在计算力学领域以及航空航天、机械工程应用中取得了长足的进步，引发了创新设计方

法的变革，其显著的工程应用效果成为众多学科领域的研究热点。然而，现有结构拓扑优

化设计理论与方法仍然属于单一结构构型设计模式，在结构整体构型设计中通常只能采用

结构拓扑和功能特征布局的串行设计方式，即先通过拓扑优化确定结构构型，然后进行详

细结构设计并在特定预留位置设计功能特征。这种顾此失彼的设计方式不仅无法体现从结

构构型到功能特征以及从主承力框架到次承力件力学性能之间的耦合关系，而且难以实现

系统刚度、质量等特性以及多学科功能的匹配协调设计，实际过程中往往需要添加辅助支

撑和配重来补偿传力路径并调节系统质量分布，结果造成系统增重、承载性能下降，无法

满足先进飞行器整体结构构型设计的力学性能与多学科功能要求。

另一方面，受限于传统机械加工工艺，实际应用的结构优化设计仍然局限于零件级，

如单个桁条、耳片接头、腹板等，未能充分发挥整体结构的优势。以某机型前机身舱段结

构为例，结构承力框架、次承力件和设备安装支架、薄壁加筋、工艺开口等功能特征的构

型和布局设计为满足切削、钣金等机械加工工艺，需要制造100余个零件，通过数千个连

接件将其组装在一起，不仅工艺复杂、周期长，需要冗长的协调和装配过程，而且分离面、

结构连接件以及传统加工工艺导致结构严重超重。同时，零件加工和装配过程引起的结构

超差、装配误差累积、连接薄弱环节和应力集中等问题极大地削弱了结构的完整性与承载

性能。

增材制造与结构整体设计的融合

增材制造技术改变了产品的制造方式，是制造技术原理的一次革命性突破。此时，如

何实现增材制造与结构整体构型设计的完美融合，是充分发挥增材制造的工艺优势，突破

传统设计模式和加工工艺瓶颈、进一步减轻结构重量、提升结构性能的关键（图1）。

图1结构整体构型设计与增材制造的融合可最大限度挖掘结构性能潜力

目前，先进结构设计与制造方法的深度融合已成为未来发展的重点方向。2012年2

月美国公布的《先进制造业国家战略计划》正式将先进制造业提升为国家战略，提出建立

“国家制造业创新网络”（NNMI）。在此体系下先后成立了“国家增材制造创新中心”

（NAMII）和“数字化制造和设计创新中心”（DMDII），从制造和设计两方面构建国

家级研究平台。NAMII公布的技术路线图5个研究领域中首先即为“设计

面向增材制造的复杂整体结构设计问题

飞行器整体结构设计需要充分发挥增材制造工艺的整体成形、跨尺度成形的优势，通

过合理的优化设计实现主承力框架、次承力件和设备安装支架等多种承载环节结构构型和

功能特征布局的一体化，其核心思想为：整体的承载环节构造、综合考虑的多功能性能耦

合、匹配的跨尺度构型和一体化的设计制造思想。其中涉及的关键难题主要包括：多种承

载环节与功能特征的整体优化建模与性能分析、整体结构多学科性能与功能综合设计方法、

跨尺度结构-微结构性能表征与尺度效应的影响机理、增材制造工艺对整体结构件性能的

影响机理及其制造工艺约束。

首先，增材制造整体成形的前提是结构构型整体构造与建模。由于结构件中存在大量

复杂几何外形和薄壁结构特征，主承