沈阳飞机所航空3D打印专家王向明院士( 二 ) 中国工程院2021年院士增选工作

针对熔合连接区疲劳特性评定，王向明提出当量应力集中系数法。将熔合连接区内部细观缺陷打包，与母材宏观应力集中当量等效，利用名义应力法确定当量应力集中系数值和寿命算法，以此作为疲劳和工艺质量评价判据。针对疲劳寿命安全，王向明建立工程化验证专用模式，与传统积木式验证不同的是，力学性能考核与工艺过程循环迭代，这样可及时暴露性能缺陷，加快改进，使增材制造主承力结构件的寿命安全保障有了技术支撑，进而解决寿命安全风险控制难题。
拓扑结构是公认的轻量化结构，减重效率可近一半，具有极大应用潜力，受到工程界的普遍关注。王向明认为，拓扑结构属静定结构范畴，任一分支失效都将导致总体破坏。寿命安全如何保障？为此，他提出按寿命设计和稳定性设计所产生的强度裕度等效面积作为裂纹扩展容限区域，分不同情况建立拓扑结构局域损伤容限设计准则。针对拓扑结构机加难点，他还提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工艺方法，机加量减少70% ，制造成本也得到降低。
上述研究解决了增材主承力结构创新设计难题，成效显著，零件数量减少2/3、结构减重1/5、疲劳寿命增加1/3 。 “飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得了国家技术发明奖一等奖的殊荣，这一项目由沈阳飞机设计研究所负责设计验证，北京航空航天大学负责制造。

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△王向明在国家科学技术奖励大会现场
王向明介绍，选区熔化增材制造技术可打印出内部形状复杂的轻质功能件，但常规点阵结构的节点承载能力大都不满足飞机功能结构要求。为此，王向明将点阵结构的节点半径作为设计变量，通过形状优化降低应力集中和重量，由此建立多种拉压承载型节点强拘束微桁架单胞。他提出节点剪切强度计算方法，发现敏感设计参数（微杆半径），并据此建立有效设计手段；打印出散热器、格栅等多种高效功能件，解决了增材高承载功能结构创新设计难题。功效实现质的飞越，功能效率提高一倍、减重近2/5、零件减少95% 。

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△王向明团队的新一代3D打印技术:重量仅为原先1/8 ，换热提高2到3倍（图源：网络）
另外，据王向明介绍，飞机战损/战伤比为1∶20 ，结构战伤占近90% ，若无法及时抢修即相当于战损。对此，他提出了补强几何应力集中/填充复合应力集中最小的修理设计方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修复流程与数据库——设计、评定、制造、修复。主持完成了3类材料、9类构件的地面静态、摇摆动态环境下的工程验证，为保持舰载机完好率提供技术途径。
【沈阳飞机所航空3D打印专家王向明院士】上述成果应用于多个型号项目，单机用量达复合材料用量的1/7 ，含5种工艺、9种材料。开辟了增材构件在飞机上工程化应用先河，实现了质的飞越，应用进程保持领先，使我国成为唯一实现增材制造构件在飞机上规模化应用的国家。王向明领衔的“基于增材制造的飞机结构创新设计与工程应用”项目由此获得了国防科技进步奖一等奖。
转载自@南极熊3D打印，本文主要内容来自《科学中国人》