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首先非常感謝大會(huì)邀請(qǐng)我做這個(gè)報(bào)告，有機(jī)會(huì)跟各位領(lǐng)導(dǎo)、專家們匯報(bào)一下我們的一些工作，給了我們一個(gè)交流的機(jī)會(huì)。我對(duì)江西感情非常深，特別是江西是革命老根據(jù)地、是革命圣地，我記得前幾年我當(dāng)國(guó)家核聚變專家委員會(huì)顧問(wèn)期間，我們最后一次專家委員會(huì)就是在井岡山開的，當(dāng)時(shí)我們專家委員會(huì)主任是彭先覺院士。他說(shuō)那時(shí)毛主席在井岡山三灣改編上的井岡山，所以我們核聚變隊(duì)伍也要改編，所以到井岡山體會(huì)一下當(dāng)時(shí)三灣改編的意義。那時(shí)候我們是全面地參觀和學(xué)習(xí)井岡山當(dāng)年革命圣地上的歷史，從黃洋界一直到賀子珍故居，全部參觀學(xué)習(xí)，這方面的感情非常深。

另外一方面我跟江西景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院也有長(zhǎng)期的合作關(guān)系，景德鎮(zhèn)很多教授都是我們北京科技大學(xué)培養(yǎng)出來(lái)的，他們的教授送到我們北科大來(lái)一起栽培，回去以后水平就提高了。像我的一個(gè)學(xué)生是景德鎮(zhèn)大學(xué)的骨干教授。和景德鎮(zhèn)602研究所也有過(guò)一些合作。

我是來(lái)自北京科技大學(xué)的粉末冶金與先進(jìn)陶瓷研究所。研究所顧名思義就是搞粉末冶金和先進(jìn)陶瓷，用粉末冶金的技術(shù)搞先進(jìn)陶瓷。粉末冶金本身就是輕量化的的技術(shù)，近景成形工藝，它是最節(jié)省材料、最節(jié)省機(jī)加工的先進(jìn)輕量化的技術(shù)。

現(xiàn)在先進(jìn)的粉末冶金材料應(yīng)用后，可以大大提高強(qiáng)度和韌性，減輕重量，提高性能。所以現(xiàn)在飛機(jī)上用的發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪盤全部用的是粉末高溫合金的渦輪盤，取代的過(guò)去的熔斷的渦輪盤技術(shù)，就是因?yàn)樗男阅芎?，特別是抗高溫疲勞好，強(qiáng)度高，能減少重量。我現(xiàn)在的研究方向之一，就是粉末高溫合金和粉末合金鋼。用的都是共性的技術(shù)。

比如石油的管道，假如用粉末的耐腐蝕鋼和粉末不銹鋼，可以大大增加它的合金元素，提高它的耐腐蝕水平，這樣就可以使石油管做得比較薄，但是強(qiáng)度、耐腐蝕性更好，所以它本身就是輕量化技術(shù)。

如果應(yīng)用在汽車上，汽車上絕大部分的連桿和一起曲軸，等都是用粉末冶金的方法做，過(guò)去用傳統(tǒng)的澆筑鍛造工藝，材料利用率低，可能50%都不到，機(jī)加工又大，用了粉末鍛造的技術(shù)以后，直接鍛造出來(lái)就是一個(gè)個(gè)連桿和曲軸，材料利用率可以達(dá)到90%以上，而且它的表面疲勞性更好，性能的提高也可以達(dá)到輕量化效果，所以粉末冶金本身就是輕量化的技術(shù)。是一個(gè)近景成形的技術(shù)。

先進(jìn)陶瓷更是一個(gè)輕量化的技術(shù)，比如說(shuō)先進(jìn)技術(shù)陶瓷，現(xiàn)在我們重點(diǎn)研究氮化硅和碳化硅等一些先進(jìn)技術(shù)材料。

比如說(shuō)過(guò)去用鋼，密度是7.8，用了氮化硅、碳化硅，密度降到了3.2，性能還好?，F(xiàn)在火箭上、航天上用的軸承，所有軸承已經(jīng)換成陶瓷軸承了。優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)是輕，一個(gè)是摩擦系數(shù)低，而且不用輪滑油、轉(zhuǎn)速還特別高，因?yàn)樗p。包括高速軋機(jī)上的導(dǎo)輪，以前用的都比較重，或者是硬質(zhì)合金，現(xiàn)在如果用了氮化硅陶瓷做導(dǎo)輪，密度一下降了好幾倍，轉(zhuǎn)速也可以大大加快，所以先進(jìn)陶瓷本身也是輕量化技術(shù)。但是我今天不想講這些材料問(wèn)題，主要講講3D打印和輕量化的問(wèn)題。3D打印本身就是很好的輕量化技術(shù)，我今天主要從3D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮，材料有好幾位材料方面的專家會(huì)詳細(xì)談。

這個(gè)報(bào)告是我跟北京航星利華有限公司張國(guó)偉一起做的，現(xiàn)在和他們是合作關(guān)系。我們跟他的合作關(guān)系是，我們提供比如用3D打印做粉末冶金的渦輪盤，我派學(xué)生到公司里去一起，在那兒做實(shí)驗(yàn)，然后把一些實(shí)驗(yàn)部件做出來(lái)。不光是渦輪盤，還有包括航空航天航空方面的部件。比如有一次我在做實(shí)驗(yàn)，正好碰上航天的龍樂豪院士也去了，他們?cè)诤教旆矫鎸?duì)3D打印也很感興趣，正好我在那兒做實(shí)驗(yàn)，龍?jiān)菏靠粗易鰧?shí)驗(yàn)，很有興趣，說(shuō)我們加強(qiáng)合作，他說(shuō)以后我們航天方面的一些部件圖紙給你，你幫我們做，這樣我們?nèi)揖秃献髌饋?lái)了。

內(nèi)容太專業(yè)了，就不詳細(xì)闡述了，把主要的意思跟大家講一下。首先講一講輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性。航天航空高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和軍事應(yīng)用密切相關(guān)，但更重要的是人類在這個(gè)產(chǎn)業(yè)部門所取得巨大進(jìn)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多部門和社會(huì)生活許多方面都產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響，推動(dòng)并改變著世界的面貌。進(jìn)入21世紀(jì)之后，航空航天高技術(shù)產(chǎn)業(yè)將會(huì)給人類認(rèn)識(shí)和駕馭自然注入新的強(qiáng)大動(dòng)力，航空航天活動(dòng)的作用將遠(yuǎn)超科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)、軍事以至人類社會(huì)生活都會(huì)產(chǎn)生更加廣泛而深遠(yuǎn)的影響，并不斷創(chuàng)造出嶄新的科技成果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

航空航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高影立、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作，除了依靠具有優(yōu)異特性和功能材料之外，還有賴于優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在材料研究難度日益增大的情況下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為一種性價(jià)比極高的方向，特別在3D打印這種新的加工工藝日漸成熟和普及的情況下，對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和工業(yè)化，有極大的促進(jìn)作用。由此可見，航空航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在航空航天發(fā)展中極其重要的地位和作用。

航天航空產(chǎn)品在追求輕質(zhì)和減重方面可以說(shuō)是“克克計(jì)較”下圖為為飛行器每減重1kg所取得的經(jīng)濟(jì)效益與飛行速度的關(guān)系，如對(duì)航天飛機(jī)來(lái)說(shuō)，每減重1kg經(jīng)濟(jì)效益將近十萬(wàn)美元。這就是減輕結(jié)構(gòu)所得的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)值，飛行器每減一公斤所得經(jīng)濟(jì)效益與飛機(jī)速度的關(guān)系。

下面講一下輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性。

新世紀(jì)以來(lái)，先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了我國(guó)航空航天技術(shù)與高端裝備的進(jìn)步，其中以增材制造為代表的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)型制造工藝正成為實(shí)現(xiàn)下一代航空航天飛行其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輕量化、高性能和多功能研制的有力保障，也極大地促進(jìn)了結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展。

在飛行器結(jié)構(gòu)的研制過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)型使結(jié)構(gòu)主承力框架、次承力件和設(shè)備安裝支架等，承載環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)整體化構(gòu)造、一體化布局和緊湊型、輕量化構(gòu)型設(shè)計(jì)，可最大限度地減少結(jié)構(gòu)的工藝分離面，省去受限于制造工藝面添加的過(guò)渡輔助結(jié)構(gòu)特征和連接件，大幅提高結(jié)構(gòu)完整性?！讹w機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》明確指出，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，尤其是主承力結(jié)構(gòu)件采用整體構(gòu)型設(shè)計(jì)，不但可以減少零件數(shù)目、降低結(jié)構(gòu)重量，而且飛機(jī)結(jié)構(gòu)曉麗、承載性能和可靠性可成倍甚至數(shù)10倍提高，可以說(shuō)結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型是先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。隨著新型飛行器性能要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)傳力路徑構(gòu)造和承載的一體化范疇。當(dāng)前，結(jié)構(gòu)承載性能與防熱、減振、降噪、電磁等多功能、多尺度、跨學(xué)科的一體化設(shè)計(jì)與制造顯得越來(lái)越重要。

近年來(lái)，作為整體結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，以拓?fù)鋬?yōu)化為代表的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法在計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域以及航空航天、機(jī)械工程應(yīng)用中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，引發(fā)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的變革，其顯著的工程應(yīng)用效果成為眾多學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法仍然屬于單一結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式，在結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型設(shè)計(jì)中通常只能采用結(jié)構(gòu)拓?fù)浜凸δ芴卣鞑季值拇性O(shè)計(jì)方式，即先通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化確定結(jié)構(gòu)構(gòu)型，然后進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在特定預(yù)留位置設(shè)計(jì)功能特征。這種顧此失彼的設(shè)計(jì)方式不僅無(wú)法體現(xiàn)從結(jié)構(gòu)構(gòu)型到功能特征以及從主承力框架到次承力件力學(xué)性能之間的耦合關(guān)系，而且難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)剛度、質(zhì)量等特性以及多學(xué)科功能的匹配協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，實(shí)際過(guò)程中往往需要添加輔助支撐和配重來(lái)補(bǔ)償傳力路徑并調(diào)節(jié)系統(tǒng)質(zhì)量分布，結(jié)果造成系統(tǒng)增重、承載性能下降，無(wú)法滿足先進(jìn)飛行器整體結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的力學(xué)性能與多學(xué)科功能要求。

另一方面，受限于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然局限于零件級(jí)，如單個(gè)桁條、耳片接頭、腹板等，未能充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。以某機(jī)型前機(jī)身艙段結(jié)構(gòu)為例，結(jié)構(gòu)承力框架、次承力件和設(shè)備安裝支架、薄壁加筋、工藝開口等功能特征的構(gòu)型和布局設(shè)計(jì)為滿足切削、鈑金等機(jī)械加工工藝，需要制造100 余個(gè)零件，通過(guò)數(shù)千個(gè)連接件將其組裝在一起，不僅工藝復(fù)雜、周期長(zhǎng)，需要冗長(zhǎng)的協(xié)調(diào)和裝配過(guò)程，而且分離面、結(jié)構(gòu)連接件以及傳統(tǒng)加工工藝導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重超重。同時(shí)，零件加工和裝配過(guò)程引起的結(jié)構(gòu)超差、裝配誤差累積、連接薄弱環(huán)節(jié)和應(yīng)力集中等問(wèn)題極大地削弱了結(jié)構(gòu)的完整性與承載性能。

下面講一下增材制造中輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。

要實(shí)現(xiàn)輕量化，宏觀層面上可以通過(guò)采用輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等材料來(lái)達(dá)到目的。微觀層面上可以通過(guò)采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼這樣的材料使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化，有助于輕量化。

3D打印帶來(lái)了通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上達(dá)到輕量化的可行性。具體來(lái)說(shuō)，3D打印通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。

通過(guò)增材制造中輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，重量可以降低43%，可以提升特征頻率，提升了靜力特性、強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。這就是衛(wèi)星的天線支架設(shè)計(jì)，通過(guò)3D打印制作出來(lái)的。