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基于增材制造的航天结构轻量化设计
发表日期:2020-12-10 17:25 浏览次数:141

在“中国(长沙)增材制造产业发展与技术应用分论坛”上来自北京空间飞行器总体设计部研究员李林凌,发表了题目是《基于增材制造的航天结构轻量化设计》的演讲。

 

李林凌表示我们偏重的是金属3D打印应用,对于增材制造的原材料、工艺、检测方面我们涉及比较少。跟大家汇报的题目是基于增材制造结构轻量化设计技术及应用。为什么说轻量化呢?因为从某种角度来说,我们飞行器的成本,一公斤的飞行器成本是50万元左右。如果通过金属3D打印航天器零件的话,设计轻量化结构,重量减轻一点,可以用成本来计算的,所以轻量化在航天里面非常的重视。


一、中国空间技术研究院总体设计部简介
成立于1968年8月16日,是我国总体领域最多(月球探测卫星、载人飞船、传输遥感卫星、导航卫星、通信广播卫星)、专业技术最齐备的空间飞行器研制核心总体单位。

我们单位创立了我们国家多个第一:

  • 第一颗人造地球卫星东方红一号是我们研制生产的;

  • 第一个遥感卫星、导航卫星。


背景情况
现在列举出来的做航天器的构型,这些构型有什么特点?了解了这个特点以后,对我们后续为什么做轻量化设计,有没有它的余量。

目前这个结构以承载功能为主,也考虑往多功能方面发展,热、电综合在一起,目前用得比较多的是蜂窝型结构、泡沫结构、波纹结构。目前的结构有什么特点?它工艺较为复杂,必须进行热压罐,成形周期长。力学性能有限,而且在一些特殊的环境、工艺下没法满足要求,尤其对于一些封闭结构,实现一体化是比较难的。
(图)从这个图可以看出来,目前传统的结构,以现有的蜂窝结构,中间是蜂窝心子,两边是夹层板。对以后未来载人航天升空探测、在轨构建/组装小卫星等,对结构提出更高的要求,要求轻量化、功能化、智能化。

这个灵感来源于自然界,像人的骨头,里面是疏松的结构,像龙虾、鸟的嘴都是蜂窝型结构,但比较硬。我们选取了一些晶体结构,具有多孔的特性,周期进行排步就可以满足我们的要求。

从某种角度来说,自然界的轻量化结构给我们一些启示,技术是创新结构设计方法与先进制造技术的交叉融合,体现了材料-结构一体化的设计理念。


二、面向增材制造及点阵结构的设计
1、设计方法——拓扑优化方法
刚才卢院士和何主任都提到拓扑优化,这个拓扑优化是比较常见的,但是在我们航天器结构来说,拓扑优化有什么特点呢?它是一个多经晶构的拓扑优化结构,它的特点更鲜明了。以前说一些结构进行拓扑优化可以打印出来,但是里面没有点阵结构,现在有了3D打印技术发展,可以把点阵和拓补结构结合进行优化发展。
设计方法——点阵结构胞元

基于晶体对称原理,提出了考虑工艺的约束自支撑三维点阵胞元创新构型,梯度三维点阵结构设计方法,研制了基于增材制造的全三维点阵微小卫星整体构成。

2、开展基于自支撑点阵的整星结构宏细观一体化设计方法,测量与金属增材制造三维点阵结构工艺适用性的方法,来开展一些工作。

3、基于工艺方面的和评测方面的,基于UCT扫描缺陷重构,建立了缺陷与力学性能的映射关系,开展考虑真实缺陷集合特征的自支撑三维点阵胞远的力学性能评价技术,点阵制造缺陷与结构损伤演化、失败模式间的内禀关系。

4、检测方式有限,在力学方面做实验测试,方法与传统的不一样,在这方面做实验和看到他的损伤机制有一点不一样,就比较难。
三维点阵支架的分析,分析出来做实验,和分析的结果误差在1%以内。

三、工程应用实例
1、功能构建;
左边这个是我们以前老的产品,有3D打印结构的时候,产品的重量是400克,那么结构所占的重量是280克,相对里面填的工质只有120克,工质填充低于30%,制造周期超过45天。我们应用3D打印产品以后,产品的重量还是400克,但是结构的重量降低到123克。从结构减重的角度的来说超过55%,结构重量减轻以后,里面填充的工质就多了。所以工质的填充率大于65%,制造的周期不超过5天,大大提高了生产效率。
(图)左下角是放在办公室花盆下面的,相当的轻。
(图)这是打印出来的板子。右边是我们做的力学分析,热分析;

对于航天产品来说,有严格的地面实验标准,地面实验包括随机振动、正弦振动、冲击试验。对3D打印结构的材料也进行了这样的测试,测试结构从几个方面都很优秀,比如说密封腔的压力是0.2MPa,储存热量提升高于传统的产品。

2、次级结构;
咱们背景里面提的第一章图里面讲了卫星的主结构。主的结构是相反式的。对于我们来说,基于增材制造的应用面比较广的来说,是相板式的,它的空间比较大。目前对于相板式的尺寸比较大,目前打印设备不能满足要求,从这个角度来说,要快速的推动3D打印产品在我们航天领域的应用,次级结构里面的像飞轮,它肯定安装在支架上,以前的支架重量,比如说某一款支架的重量是1.1公斤,通过优化以后,外面是这样的构型可以打出来,里面是点阵结构在里面,难就难在这里。今后弄出来以后,结构的重量430克,减重超过了60%,平均不低于110克。为什么把频率要求这么高呢?频率太低的话,卫星在发射过程中与火箭产生共振,容易把卫星搞坏。单机产品频率越高有利于保护产品本身。

3、整体结构;
目前我们单位来说,最大的是1.2米的肼瓶支架,这个是今年打出来的产品,现在有大型的设备就更好了。因为拼接还有它的缺点在里面,里面是点阵结构外面是蒙皮,拼接的话里面有很多的缺陷在里面查不出来。对于要求比较严的航天产品来说,3D打印技术没有得到充分体现,另一个方面也有可能隐含一些隐患在里面。目前拼接出来的产品很轻,我们一个老总当时端着那个说这个太轻了,如果不经过3D打印的话他可能端不起,经过3D打印技术他可以把这个产品轻松的端起来了。


这个产品的直径1.2米,重量14kg,频率110hz,周期30天,拼接过程中特别的复杂。3D打印设备如果可以打更大的事件了就好很多了。

4、民用产品
卫星整体结构,开启了三维点阵结构及其增材制造技术在航天器主承力结构应用序幕,它相对而言它比较小。打印出来的进行一些相应的力学性能测试,最关键点是主载荷处响应与传统结构相比下降80%。这是做实验的数据。

我们这个技术方案方岱宁给我们评价:开启了增材制造轻量化点阵结构,作为航天器主承力结构的应用序幕将对我国航天结构轻量化技术发展产生重要的推动作用。