航空发动机支架增材制造轻质设计研究

王 凤，张 博，王 超，杨 光

（1.中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 110015；2.沈阳航空航天大学辽宁省高性能金属增材制造工程研究中心，辽宁 沈阳 110136）

1 引言

零部件的轻质化和可靠化极大的提升了航空航天装备的效能，如起飞重量达65t的波音737飞机，每减轻1磅，全寿命周期内可节省数十万美元燃油成本；某公司的Trent XWB-97发动机部分是采用增材制造零部件，生产效率提高1/3，交货周期缩短30%。因此航空零部件轻量化带来的经济效益、社会效益、军事意义十分突出[1-2]。航空航天零件具有显著的“小批量、多品种”特点，随着产品演进，往往一个型号迭代过程中会衍生出更多改进型号，带来的问题是单个型号批量小、制造成本较高且周期长，无法发挥批量制造优势，使得单件生产成本高且周期长，严重制约了型号设计、研制工作的发展[3-4]。

对于设计人员来说，传统制造工艺过多的条件要求也严重限制了他们的设计思维，许多理想的结构形式由于无法实现而放弃，严重影响了飞行器结构设计的创新，成为航空航天装备进一步发展的瓶颈[5-7]。随着科学技术的发展，增材制造或可为小批量多品种的航空航天型号研制工作打开全新的局面。增材制造不仅会对传统生产制造方式带来变革，也会对传统设计方法产生重大影响。增材制造技术可以引导创新设计，提高部件与产品性能。美国通用电气公司（GE）研发的重型燃气轮机的联合循环发电效率突破64%，创造了新的世界纪录，这归功于燃烧室及喷嘴采用了创新设计与增材制造技术。

综上，本文以某型航空发动机低压燃油滤支架为对象，研究了基于数字化模型驱动和SLM增材制造技术相融合的优化设计方法，为小批量多品种零件的设计、制造提供思路[8-9]。

2 方案设计

某型发动机低压燃油滤支架固定在发动机机匣安装边上，用于支撑低压燃油滤附件，同时支架上还设计了管路拉杆固定点。支架需要在发动机全工作包线范围内为附件和管路提供有效的支撑，不应出现裂纹，断裂及影响附件和管路功能的变形。其零部件结构布置应满足合理的传力路径、系统通路、装配空间等要求。支架最大尺寸及特征尺寸，如图1所示（外廓尺寸105.6mm×111.5mm×56mm，最小的孔径φ2.6mm、最薄的壁厚3mm、最窄的缝宽10mm）。

图1 低压燃油滤原始支架外形及尺寸Fig.1 Outline Diagram of Support for Low Pressure Fuel Oil Filter

2.1 结构概述

发动机外部固定附件用支架加工工艺主要包括铸造、锻件机加和钣金焊接加强筋方式等。限于传统加工的制约，支架设计时很难保证材料尽可能分布在结构的传力路径上，造成结构件的重量增加和材料浪费。

低压燃油滤布置在低温区，考虑到材料的综合性能和经济性，支架选用发动机低温区常用的0Cr18Ni9材料，材料性能，如表1所示。

表1 0Cr18Ni9材料参数Tab.1 Material Parameters of 0Cr18Ni9

2.2 强度分析

低压燃油滤支架原始模型质量为0.345kg。利用UG高级仿真工具对原始模型进行仿真分析的结果，如图2所示。

图2 应力分析结果Fig.2 Stress Analysis Result

由分析结果可知静强度的最大当量应力49.2MPa，发生的螺纹连接孔和加强筋低部。屈服安全系数[10]：

极限安全系数：

模态分析表明1阶固有频率为260.3Hz，不满足≥270Hz的要求，模态计算结果，如图3所示。

图3 模态计算结果Fig.3 Simulation Results

由上述分析结果可知，原始模型质量0.345kg，静强度储备系数较高，设计过于保守，还有减重的空间。而刚度却不是很理想，说明材料未能有效布置在承载路径上，原始模型结构设计不合理。

3 基于增材制造的优化设计

3.1 拓扑优化过程

采用Inspire优化软件，首先对可以使用的设计区域进行填充，然后建立拓扑优化数学模型进行拓扑优化，即：

式中：ω1—一阶固有频率；k—发动机支架刚度；pi—发动机支架所受的力；δi—由力引起的变形量；n0.2—屈服安全系数；nb—极限安全系数。

其拓扑优化结果，如图4所示。

图4 拓扑优化结果Fig.4 Results of Topology Optimization

3.2 优化模型

按照拓扑优化结果提供的结构件的传力路径和材料分布，结合低压燃油滤支架自身需要实现的功能和实际使用环境要求，对支架进行了优化设计模型，如图5所示。优化模型参照拓扑优化结果将原始模型中两个单侧的板式加强筋更改为双侧4个长圆锥形筋，为考虑减重，将长圆锥内部挖空，形成中空的壁厚为1mm的支撑结构。为了保留原来支架上连接其他支架的功能孔，在拓扑优化结果的基础上保留了部分板式结构。低压燃油滤支架优化模型质量为0.267kg。

图5 低压燃油滤优化支架优化模型Fig.5 Optimization Model of Support for Low Pressure Fuel Oil Filter

3.3 结果分析

利用UG高级仿真工具对优化模型进行仿真分析，施加约束及载荷情况，如图6所示。由分析结果可知静强度的最大当量应力80.12MPa。屈服安全系数：

图6 应力分析结果Fig.6 Stress Analysis Result

极限安全系数：

模态计算结果，如图7 所示。计算得出1 阶固有频率为279.9Hz，满足≥270Hz的要求。

图7 模态计算结果Fig.7 Simulation Results

4 优化设计的效果分析

优化后的支架满足轻量化、集成化、功能结构一体化要求，能够有效避免支架焊接结构的质量不稳定性以及复杂支架机加工艺毛坯较大，材料浪费较多的问题。

优化模型外廓及最小特征尺寸满足增材制造工艺要求，可使用铺粉技术成形，工艺难度小。

（1）技术指标的提升

优化模型比原始模型刚度有所提高，1 阶固有频率由原来260.3Hz提高到279.9Hz，满足≥270Hz技术指标要求。优化后静强度储备系数仍然满足屈服安全系数n0.2≥1.2，极限安全系数nb≥1.5的技术指标要求。

（2）减重效果

原始支架质量0.345kg，优化模型质量0.267kg，减重22.6%。

（3）经济效益

原始支架如果选用锻造毛坯机加方式加工，毛坯体积大于659366mm3，如图8（a）所示。采用增材制造方式加工的优化模型体积仅为34128mm3，如图8（b）所示。在强度/裕度满足使用要求的前提下，采用增材制造工艺提高材料利用率94%以上，经济性较好。

图8 两种制造方案材料利用率对比Fig.8 Comparison of Material Efficiency for Two Manufacturing Program

（4）可推广性

为减小支架重量和提高支架刚度，采用在传递路径上布置中空长圆锥形加强筋的方式对结构进行优化，采用增材制造方式来进行一体化的加工，拓展了支架设计新思路。中空长圆锥形加强筋一体化成形能够有效避免传统板式加强筋焊接质量问题对支架支撑性能的影响。

在相同重量时，中空长圆锥形加强筋比传统板式加强筋刚度好，但是其成形只能通过增材制造的方式实现。目前增材制造工艺技术对于加工类似中空结构件工艺已经十分成熟。

5 增材制造模型

这里利用盖恩科技GN-T2018并联臂3D打印机对优化后的航空发动机支架进行打印，首先将模型导入分层切片软件，由切片软件自动生成打印轨迹及代码，然后连接打印机确定零基准面及零点，最后打印支架模型。打印过程，如图9所示。

图9 支架打印过程Fig.9 Printing Process of Support

打印参数为：功率为250W，XY方向打印速度为3000mm/min，Z方向打印速度为200mm/min，喷嘴工作温度为200℃，床身工作温度为60℃，喷嘴直径0.4mm。专用耗材为PLA，直径1.75mm。打印后的最终效果图，如图10所示。

图10 3D打印后支架模型Fig.10 Model of Support After 3D Printing

6 结论

（1）面向增材制造优化的支架满足轻量化、集成化、功能结构一体化要求，能够有效避免焊接结构的质量不稳定性以及复杂支架机加工艺难度大、材料利用率低问题。

（2）在满足静强度条件下优化前原始模型质量0.345kg，优化后模型0.267kg，减重达22.6%；刚度有提高，1阶固有频率由原来260.3Hz提高到279.9Hz，满足≥270Hz技术指标要求。

（3）优化模型能够将材料有效布置在承载路径上，结构设计更合理。这里所述的设计思路具有一定的推广和应用价值。