沈陽飛機所航空3D打印專家王向明當選院士

2021年11月18日，南極熊獲悉，中國工程院2021年院士增選工作于近日完成，共選舉產(chǎn)生84位中國工程院院士和20位中國工程院外籍院士。來自中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設計研究所的王向明當選中國工程院院士。

△《科學中國人》對王向明院士的報道

據(jù)《科學中國人》此前發(fā)布的相關(guān)資料顯示，王向明院士出生于1962年，2005年獲得北京航空航天大學工程力學博士學位，研究員、博士生導師，長期從事飛機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計與制造工作，在開拓隱身戰(zhàn)機新概念結(jié)構(gòu)領(lǐng)域、引領(lǐng)飛機增材制造應用方向、創(chuàng)建隱身戰(zhàn)機機體快速試制新模式等做出貢獻，研究成果是鶻鷹中型四代機研制的基石。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、國家技術(shù)發(fā)明一等獎1項；省部級一等獎2項、二等獎2項。授權(quán)發(fā)明專利15件，發(fā)表期刊論文32篇、專著3部，國際學術(shù)會議報告9次。

現(xiàn)任航空601所項目總設計師，任鶻鷹飛機（殲—31）常務副總設計師、飛行器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域唯一國防973技術(shù)首席、軍委裝發(fā)部和原總裝先進制造專業(yè)組委員、新型功能結(jié)構(gòu)航空科技重點實驗室主任。享受國務院特殊津貼，榮獲航空航天月桂獎（技術(shù)先鋒獎）、航空報國金獎（3次）和探索發(fā)明獎，航空工業(yè)一等功、二等功（3次）。被評為遼寧十大創(chuàng)新能手、遼寧省五一獎章、沈陽市勞動模范。培養(yǎng)碩、博研究生21人。

在飛機結(jié)構(gòu)的設計和加工過程中，王向明院士在3D打印領(lǐng)域取得了一系列的研究成果。

王向明介紹說，飛機結(jié)構(gòu)增材制造的應用研究迄今已開展30多年，但應用范圍、數(shù)量規(guī)模仍受局限，國內(nèi)外僅有幾種型號飛機在少量應用，且以次承力件為主，例如波音787、空客A350等。盡管增材制造在控形、控性和工藝裝備等方面已取得重大突破，但由于缺少創(chuàng)新設計方法引領(lǐng)，單純套用鍛鑄件優(yōu)勢不大，即想用但不太會用；另一方面，缺少性能評定/驗證方法支撐，壽命安全說不清，即想用但不太敢用。二者被美國聯(lián)邦航空局列為增材制造應用技術(shù)的主要難點之一。

△王向明院士

早在2003年，王向明就與北京航空航天大學的王華明教授（2015年當選中國工程院院士）開展密切合作，共同為飛機結(jié)構(gòu)件“量身定做”，即常說的設計/制造一體化。

王華明教授率先在鈦合金大型復雜主承力件激光熔化沉積控形、控性、裝備、標準等方面取得重大突破，而王向明考慮更多的則是如何實現(xiàn)創(chuàng)新設計、確保使用安全，著重解決3D打印面臨的“會用、敢用”的問題。

△王華明（左）王向明（右）獲中航工業(yè)"航空報國金獎"（圖源：CAN）

王向明借助在原總裝先進制造專業(yè)組擔任增材制造責任專家的機遇，規(guī)劃出基于增材制造的大型整體化、構(gòu)型拓撲化、梯度復合化和功能結(jié)構(gòu)一體化等飛機新概念結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，主導系統(tǒng)級技術(shù)開發(fā)與工程化驗證，做前人不敢做的事，開始走上打印奇思妙想的逐夢之旅。

△王向明院士團隊發(fā)表的部分中文期刊論文

他基于發(fā)明的增材熔合連接方法，提出多種增材主承力結(jié)構(gòu)設計方法，即通過增材熔化沉積填充，一邊成形、一邊連接，將兩個構(gòu)件合并為一個整體，使構(gòu)件做得更大、更復雜。其中具體包括殘余應力臨界值仿真預測、離散分區(qū)成形、去除殘余應力、增材熔合連接，涵蓋創(chuàng)新設計、性能評定、工程驗證等。與焊接的區(qū)別是，突破厚度限制，力學性能與母材相當，近似“無痕”連接。研制出框-梁等多種整體主承力結(jié)構(gòu)，拓展法向復雜承載維度。

針對熔合連接區(qū)疲勞特性評定，王向明提出當量應力集中系數(shù)法。將熔合連接區(qū)內(nèi)部細觀缺陷打包，與母材宏觀應力集中當量等效，利用名義應力法確定當量應力集中系數(shù)值和壽命算法，以此作為疲勞和工藝質(zhì)量評價判據(jù)。針對疲勞壽命安全，王向明建立工程化驗證專用模式，與傳統(tǒng)積木式驗證不同的是，力學性能考核與工藝過程循環(huán)迭代，這樣可及時暴露性能缺陷，加快改進，使增材制造主承力結(jié)構(gòu)件的壽命安全保障有了技術(shù)支撐，進而解決壽命安全風險控制難題。

拓撲結(jié)構(gòu)是公認的輕量化結(jié)構(gòu)，減重效率可近一半，具有極大應用潛力，受到工程界的普遍關(guān)注。王向明認為，拓撲結(jié)構(gòu)屬靜定結(jié)構(gòu)范疇，任一分支失效都將導致總體破壞。壽命安全如何保障？為此，他提出按壽命設計和穩(wěn)定性設計所產(chǎn)生的強度裕度等效面積作為裂紋擴展容限區(qū)域，分不同情況建立拓撲結(jié)構(gòu)局域損傷容限設計準則。針對拓撲結(jié)構(gòu)機加難點，他還提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工藝方法，機加量減少70%，制造成本也得到降低。

上述研究解決了增材主承力結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計難題，成效顯著，零件數(shù)量減少2/3、結(jié)構(gòu)減重1/5、疲勞壽命增加1/3。“飛機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎的殊榮，這一項目由沈陽飛機設計研究所負責設計驗證，北京航空航天大學負責制造。

△王向明在國家科學技術(shù)獎勵大會現(xiàn)場

王向明介紹，選區(qū)熔化增材制造技術(shù)可打印出內(nèi)部形狀復雜的輕質(zhì)功能件，但常規(guī)點陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點承載能力大都不滿足飛機功能結(jié)構(gòu)要求。為此，王向明將點陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點半徑作為設計變量，通過形狀優(yōu)化降低應力集中和重量，由此建立多種拉壓承載型節(jié)點強拘束微桁架單胞。他提出節(jié)點剪切強度計算方法，發(fā)現(xiàn)敏感設計參數(shù)（微桿半徑），并據(jù)此建立有效設計手段；打印出散熱器、格柵等多種高效功能件，解決了增材高承載功能結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計難題。功效實現(xiàn)質(zhì)的飛越，功能效率提高一倍、減重近2/5、零件減少95%。

△王向明團隊的新一代3D打印技術(shù):重量僅為原先1/8，換熱提高2到3倍（圖源：網(wǎng)絡）

另外，據(jù)王向明介紹，飛機戰(zhàn)損/戰(zhàn)傷比為1∶20，結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷占近90%，若無法及時搶修即相當于戰(zhàn)損。對此，他提出了補強幾何應力集中/填充復合應力集中最小的修理設計方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修復流程與數(shù)據(jù)庫——設計、評定、制造、修復。主持完成了3類材料、9類構(gòu)件的地面靜態(tài)、搖擺動態(tài)環(huán)境下的工程驗證，為保持艦載機完好率提供技術(shù)途徑。

上述成果應用于多個型號項目，單機用量達復合材料用量的1/7，含5種工藝、9種材料。開辟了增材構(gòu)件在飛機上工程化應用先河，實現(xiàn)了質(zhì)的飛越，應用進程保持領(lǐng)先，使我國成為唯一實現(xiàn)增材制造構(gòu)件在飛機上規(guī)模化應用的國家。王向明領(lǐng)銜的“基于增材制造的飛機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計與工程應用”項目由此獲得了國防科技進步獎一等獎。


本文主要內(nèi)容來自《科學中國人》