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[平台总体] 做搏击长空的鹘鹰

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发表于 2019-11-12 16:26 超大游击队员 | 显示全部楼层 |阅读模式

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大鹏一日同风起,扶摇直上九万里。2012年10月31日10点31分,我国中型四代机鹘鹰(网称歼-31)拔地而起,这不仅使我国成为世界上第二个同时研制两款四代机的国家,更使我国飞机结构技术实现了质的飞跃!

飞机机体结构技术是指飞机专用机械结构和机构的设计与制造。机体结构直接影响着飞机的性能。高效率机体结构是先进战机的根,至关重要,不可或缺!战机迄今已发展至第四代,结构型式已延续了半个多世纪,以机械连接和“刚性”制造为主,重量大、易开裂、缝隙多,严重影响结构品质。通常采用精益设计和先进材料工艺替换来挖掘其潜力,但已达极致,结构设计多以经典设计、经验设计、继承设计为主,重量和寿命已出现极限指标,超重和疲劳开裂成为各型飞机的技术鸿沟,很难跨越。作为航空工业沈阳飞机设计研究所(601所)项目总设计师,王向明以创新结构技术为主线,不断探索,寻求突破,走出了一条与传统方法截然不同的新路。

他主持完成了多个型号机体结构研制项目,创造了无设计分离面的机翼/机身整体大部件、带自平衡机构的铰链式平尾、大型整体油箱啮合密封结构、金属梯度结构、钛合金层合及成形连接等多种新概念结构。

他潜心15年钻研增材制造应用技术,实现了单机装机62件的规模化应用,包括4种工艺、8类材料、10种构件,成为飞机结构增材制造应用技术的领军人物。

他创建了研制快、性能好、费用廉的新机快速试制模式,在“鹘鹰”飞机研制中创造了多项研制纪录,包括:3个月完成全机详细初步设计和结构参数优化计算,6个月完成全机数字化详细设计,22个月从参数优化到实现首飞;结构重量偏差仅43公斤,零件、疲劳薄弱部位和工装数量减少了一半以上。

他创建了国内首家新型功能结构航空重点实验室、辽宁省增材制造创新平台、增材制造工程技术中心,为激发广大设计员的创新灵感提供舞台。

他创建了基于6级技术成熟度的工程化验证模式,打通了先进制造技术从实验室走向工程应用的捷径,加快了成熟度迭代进程,规范了安全考核程序。

先后毕业于西工大、南航的飞机设计专业的王向明,在职获得北航工程力学工学博士学位。他是国家技术发明奖一等奖、二等奖和航空航天月桂奖(技术先锋奖)获得者,辽宁省十大创新能手,一位不走寻常路的飞机设计师,一个如同鹘鹰一般开拓进取、勇敢前行的新结构技术的拓荒者。

当问及成功的秘诀时,他只是神秘一笑:兴趣使然。他常和团队成员说,人生最幸福的是职业和兴趣相统一。“在工作中寻求乐趣”是他的座右铭,他微信的个性签名是“没事偷着乐”,反映了他对自己工作的满足和对创新过程的享受。

挑战“经典”的新概念结构技术

王向明在601所从事飞机结构设计30多年,经历了多个型号的研制。经历得越多,就愈加苦闷。因为从本质上看,飞机的结构构型基本就没有改变过,以至于很多人都认为结构没什么可设计的,结构已经很“经典”了,只要会画图就能胜任,团队成员中曾一度有很多大专生和中专生。他们把结构设计专业看作是“画图”,更习惯称“结构专业”,从来不提“设计”两字,甚至评价设计水平好坏就看图画得是否漂亮。谁画得快、画得准确、图面干净,谁就是高手。

喷气式飞机诞生于20世纪40年代末,至今已半个多世纪,战机已发展至第四代,结构构型基本没有大的变化,主要采用集中接头连接对合、铆接/螺接等机械连接组合板杆为主。这主要是由传统的制造受锻、铸、热、表、焊等工艺限制,其过程需要大量的模具和工装,工艺环节较多,加工过程复杂,研制周期较长;而且结构较重,疲劳开裂频发,连接缝隙多,难以控制次级散射源,不利于控制雷达反射面积。这些经典结构已导致飞机普遍超重8%~20%,达数百公斤以上,疲劳开裂占损伤总量的80%。美国航空技术很先进,但其四代机F-35仍超重640公斤以上,F-22近期投入3.5亿美元对162架飞机进行抗疲劳改进。

至此,结构技术似乎山穷水尽,已经到极限了。每个型号结构设计似乎仅仅是画图、数字建模的简单劳动过程,新来的员工大都不愿意主动选择结构专业部门,老一点的设计员觉得味同嚼蜡,毫无新意。高校结构设计专业的教授们基本都转向复合材料、力学、数字化等其他方向,很少愿意在结构设计上再投入精力。教学课程的核心内容基本都是50年前的,更新缓慢。

然而,随着先进制造技术的迅猛发展,王向明敏锐地观察到,结构技术的发展契机来了。他利用在原总装先进制造技术专业组担任专家的机会,密切关注可适用于飞机结构设计的先进制造技术,在国防“973”、预研等多个项目支持下,历时20余年,进行系统研究,创建了飞机新概念结构。所谓新概念结构是指,通过设计与制造高度融合构造出的全新结构型式,突出大型整体化、梯度复合化和功能结构一体化,具有轻质高效、长寿命、低成本等显著特征,适合快速试制。新概念结构覆盖了飞机主承力机体,范围广、难度大,对设计和制造提出了严峻挑战!

王向明提出,针对新概念结构特征,通过设计与制造高度融合,发明新概念结构和快速试制技术,打通全技术链条,推动结构技术变革。他率领团队先后发明了带寿命属性和工艺属性的机翼/机身整体结构技术,实现连接区域大幅度减重,该处疲劳部位全部消除;发明了可反复开启的啮合密封结构型式,具有密封和维护口盖双重功能,规避了大量口盖破坏结构整体性的矛盾;发明了带自平衡机构的铰链式平尾,实现功能、结构一体化设计,颤振风险大幅度降低;发明了不同金属材料熔合为一个整体的梯度结构技术,实现好钢用在刀刃上;发明了裂纹扩展路径可调控的钛合金层合结构技术,解决了传统金属裂纹扩展只能被动监控,危及寿命安全的难题。

鹘啸长空瞰天下。王向明的新概念结构技术成功应用于“鹘鹰”飞机研制,取得了显著成效,创造了多项纪录,包括:创新构型多、重量控制精准、零件工装数量少、增材构件应用多、研制周期最短等,使飞机结构技术实现了质的飞跃!该成果核心内容荣获2017年度国家技术发明奖二等奖。

增材制造“打印”结构创新里程碑

飞机传统结构技术出现了设计瓶颈。一方面,结构超重严重,为“减轻一克重量而奋斗”的理念几乎成了空谈,而“一克重量一克金”的现实却依然存在,结构背负的多余“成本”实在是太高了。另一方面,疲劳裂纹不断出现,多余的重量代价并未在寿命和安全裕度上得到应有的回报。再者,飞机主承力结构大量使用钛合金,这类材料很昂贵,而传统工艺的材料利用率不足10%,并且零件尺寸规格受限。这让王向明感到非常无奈,用他的话讲,就是“传统经典结构已经撞了墙了”。

面对飞机这堵“墙”,王向明急需凿墙的“金刚钻”,钻出一条通往全新结构技术的捷径。而就在这个时候,即2003年秋,一个人带着“金刚钻”——激光快速成形技术来到沈阳,他就是北京航空航天大学的王华明教授(2015年当选中国工程院院士),这两个名字只差一个字的男人在这里相遇了,从此开启了飞机大型复杂钛合金零件增材制造的新篇章。

激光快速成形技术是增材制造(俗称3D打印)技术的一种,就是目前常说的激光同轴送粉增材制造技术,它是以激光为热源,依据数字模型通过程序控制,将金属粉末直接熔化,逐层累积“生长”出近终形毛坯,其组织均匀,性能优异。之前的加工方式大都是“减材”或“等材”,可创新设计空间非常有限。而王华明的这一技术让王向明脑洞大开,因为它可使零件“生长”出来,也就是说零件的制造过程是一个生长过程,意味着跟自然规律是相符的,因为自然界形形色色、千奇百怪的生物都是长出来的。如果飞机结构零件也能“长”出来,那么是否意味着结构设计不再受传统束缚,也可以百花齐放了?

王向明和王华明经过几番研讨非常兴奋,这一过程持续了很长时间。有一次,二人午餐时间在北航食堂讨论,从中午到下午,居然忘记了点餐!之后,他们组建了研发团队,按照共同规划的5个方面13个专题开展技术研究,包括创新构型设计、变形开裂控制、组织调控、力学性能、应用验证等,这样一干就是十多年。

倚天铸剑敢争锋。王向明认为,历经这十多年时间,飞机增材制造结构应用技术已走过了3个里程碑。他总结道,第一个里程碑是2005年,王向明与王华明密切协作,按照美国Aeromet公司(最早开展飞机结构激光快速成形应用研究,2005年末倒闭)的理念,研制出带结构基板的钛合金角盒,经强度考核与疲劳寿命测试,力学性能满足设计要求,并成功实现装机考核。这意味着团队突破了钛合金次承力件激光快速成形关键技术,使我国成为继美国之后世界上第二个掌握该技术并实现装机应用的国家。

第二个里程碑是2009年,王向明与王华明继续通力协作,克服了重重困难与阻力,突破了大型复杂钛合金主承力件成形关键技术,摆脱了对Aeromet的跟踪模仿,在北航实验室成功研制出无结构基板、成形连接的前起落架支撑梁,而且实现了批量装机应用,使我国一跃成为迄今世界上唯一掌握该技术并实现工程应用的国家。在此基础上,通过进一步扩大应用,成效显著,获得2012年度国家技术发明奖一等奖(王向明排名第二)。

第三个里程碑是2012年,王向明率团队拓展协作范围,与国内增材制造优势单位展开广泛协作,在“鹘鹰”飞机研制中实现了大规模应用,包括激光沉积成形与选区熔化、电子束熔丝成形与选区熔化共4种增材制造工艺,钛合金、高强钢、铝合金、高温合金等8种材料,以及加强框、大梁、起落架、主承力接头、格栅等10类构件,达到了规模化应用的程度,单机装机件达62件。因此,“鹘鹰”飞机也被昵称为“粉丝飞机”,即62个零件都是由金属粉末和丝材制成的。由此开启了增材制造技术走向工程化应用的先河,也使我国成为唯一实现增材制造技术在飞机结构上规模化应用的国家。

期间,王向明还对飞机钛合金增材结构的疲劳特性进行了系统研究,开发出了可对钛合金增材结构和焊接结构的疲劳特性与疲劳寿命进行快速评估的当量Kt法,并撰写出版了专著《飞机钛合金结构设计与应用》。现在,王向明和他的团队没有停下创新的脚步,以增材制造技术为创新平台,朝着构型拓扑化、大型整体化、梯度复合化和功能结构一体化的结构创新方向继续前行,持续打印着奇思妙想,打印着结构技术的创新梦想。

快速试制技术助力新型战机加速研制

飞机在成为装备前,需要经过验证机和原型机阶段,用以验证新技术和装备研制,这个周期越短、成本越低越好,这样就能快速进行物理迭代,进而确定最优方案。而飞机机体结构平台的快速研制是验证机、原型机研制的前提条件。美国洛克希德·马丁的臭鼬工厂就肩负着快速试制的重任,曾协助洛马公司占据美国国防部每年1/3的订货,控制世界防务市场40%的份额。臭鼬也被誉为洛马的技术灵魂,企业发展的永动机。

王向明发现,我国航空工厂研制验证机和原型机大都采用批生产的技术与执行模式,二者之间存在较大冲突和分歧。进一步研究发现,快速试制追求“快、好、廉”,而批生产则强调“稳、快、廉”。由此可以看出,二者在理念、目标、机构、管理、流程、团队以及技术等诸多方面均存在本质区别。按照现行的批生产与新机科研试制“混线”的方式,彼此相互干扰,资源纷争严重。试制中大都局限于传统“刚性”制造工艺,需要大量的工装和模具,成本高、响应慢。一旦设计方案出现更改,必然会导致这些工装和模具的大量报废,并且浪费了宝贵的研制周期。另外,由于传统制造技术占主导,新技术很难有机会介入,无法拉高其技术成熟度。久而久之,进入恶性循环的怪圈,最终影响机体结构品质。

设计是主导,材料是基础,制造是手段,测试是保障。王向明认为,快速试制的创新源头在于设计,要实现“快、好、廉”的快速试制目标,必须建立全新的理念、流程、模式与技术体系。为此,他梳理了“九五”以来众多先进制造技术应用研究与新结构技术探索所取得的成果,包括国防“973”基础研究、预研课题、工程化集成验证等,从中裁剪出适合新机快速试制的核心技术,搭建出核心技术框架。该框架具有3个主要技术特征:一是创新结构整体化,包括机翼/机身整体大部件、大型增材整体框梁、大型整体油箱结构、大型复合材料整体壁板等;二是设计、制造一体化,全机结构参数优化与部件拓扑优化的精准设计、无模敏捷制造、大部件通用柔性装配技术等;三是流程、模式全数字化,包括全三维数字化技术以及基于设计、制造一体化的快速试制理念、流程、模式。至此,基于全三维信息相关的新机先进结构设计与制造一体化的国内首个快速试制技术体系架构建立起来。

王向明提出的新机快速试制理念的核心是“快、好、廉”。其流程主要是基于数字化技术的多个专业并行协同、制造技术前移。技术体系包括“创新结构构型、三维优化设计、无模敏捷制造、快速柔性装配”,体现整体化、最优化、增材/无模化、精细化和数字化。其中三维优化设计包括全三维协调、基于拓扑优化和参数优化的快速精准设计、快速柔性装配设计等。无模敏捷制造主要包括高能束钛合金框/梁增材制造、大厚度铝合金预拉伸厚板高效数控加工技术等。快速柔性装配包括装配工艺仿真、翼身大部件通用立式装配、后机身部件通用柔性装配等。

王向明创建的新机快速试制模式在“鹘鹰”飞机研制中发挥了核心支撑作用,3个月完成打样协调,5个月完成机体结构详细设计,13个月完成2架飞机制造,从打样协调到实现首飞仅22个月,比传统缩短25%以上。航空集团领导曾这样评价:“鹘鹰”飞机的研制速度震惊了世界。”飞机零件、标准件减少50%,决定全机寿命的疲劳薄弱部位减少50%,工装减少56%,全机重量偏差仅43公斤,比传统降低一个数量级。全机结构没有一个模锻件,实现了“无模敏捷制造”,研制效果脱胎换骨。该成果部分内容同上述新概念结构一起荣获2017年度国家技术发明奖二等奖。

一代飞机、一代技术。同新型飞机一样,机体结构也需要随飞机一起换代升级,其中次级散射源控制技术指标更是将设计与装配质量提高到了一个前所未有的高度。新型飞机需要控制表面次级散射源,对于缝隙、阶差、凸凹等有严格的要求。王向明在研制中发现,传统的设计与制造、装配方式已很难适应新机高精度需求,特别是装配大都采用手工补充加工、反复试装的方式进行,时常带应力装配,效率低下、质量不稳定、难以满足后续批生产需求,而且对后续飞行使用会产生变形干涉,造成局部翘曲、分层、掉钉等损伤。

王向明认识到,简单一味提高结构设计与制造、装配指标没有出路,必须通过技术能力和手段的提升来解决问题。为此,他提出了“飞机结构技术0.1毫米工程”的理念,不是片面单纯减小缝隙、阶差、凸凹等缺陷指标,而是从设计、制造、装配、补偿等方面系统地控制表面电磁缺陷到0.1毫米当量。他的目标是,要像2毫米工程振兴汽车制造业那样,用0.1毫米工程促进新一代战机设计制造质量的全面升级。阶段研究已取得显著成效,目前,王向明带领团队向着0.1毫米的目标继续前行。期待不久的将来,我国列装的新型飞机都是依托0.1毫米工程制造的精品。

首创结构实验室为激发创新灵感插上翅膀

早在2003年,王向明就提出建立结构实验室,试图以实验室作为载体,打通设计、制造一体化的全技术链条,同时为激发设计员创新灵感提供研发平台。这在现在仍是新生事物,更何况在15年前,所以一直没有被多数人所认同,直到近年来还被技术同行认为是“伪命题”。传统的结构强度试验室建所初期就已经设立了,无非是静、动、疲、热等强度性能考核,再设结构实验室大有“另立山头”之嫌。甚至本专业已退休的一些前辈也在质疑:“结构搞什么实验室?不就是画图吗?难道你的铅笔比别人的更粗,还是图板比别人的更大?”现在听起来像是个段子,但当时让王向明十分无奈,只能是一脸苦笑。

10年,王向明没有放弃。他一边继续他的创新结构技术研究,一边在等待、创造时机。为了便于更好地理解,他将实验室的名字取得很长,“基于增材制造技术和特种加工技术的飞机新型功能结构设计与验证实验室”,突出设计、制造一体化、功能、结构一体化。十年磨一剑,在有关领导和专家的支持下,终于在2013年,作为我国首家飞机结构创新研究实验室的“新型功能结构设计与验证技术实验室”在601所挂牌成立。

该实验室承担起基于先进制造的新概念结构的设计、制造、测试、验证,旨在解决飞机结构传统技术瓶颈问题、构建用于功能结构技术创新的平台、建立设计、制造一体化的快速试制技术体系、推动增材制造技术向军民融合深度发展。实验室拥有多项发明专利、多个前沿技术方向,持续引领着飞机结构技术创新发展的方向。实验室目前已成为国防科技工业激光增材制造技术研究应用中心应用依托单位、新型功能结构设计与验证航空科技重点实验室、辽宁省高性能金属增材制造结构设计与应用工程技术中心、辽宁省增材制造产业共性技术创新平台等。

实验室的持续创新显著成效也受到上级领导的高度重视,国家领导人、原总装首长、空海军首长、省市领导都先后来到现场参观指导,对实验室的特色创新给予充分肯定。

业内评价王向明胆子大,什么玩意儿都敢往飞机上装。对此,他淡然一笑:“可能他们不太了解,我之所以敢用,是因为我有实验室‘镇店之宝’,装机前所有新技术必须要经受住‘鬼门关’的考验。”

“镇店之宝”“鬼门关”指的是什么?原来是王向明创建的一套完整的基于6级技术成熟度的工程化验证模式。该模式不同于复合材料的积木式验证,而是带有技术成熟度过程迭代的验证模式,在验证过程中可以及时发现问题并解决问题。其核心是“小试、中试、大试”,包括材料工艺属性考核、典型关键部位结构与功能极端考核、产品合格性考核。经过这样的严酷考核,再新的技术用在飞机上也是安全可控的,王向明对此充满自信。

目前,该实验室承担着源自军委装发部、军委科技委、科技部、工信部、科工局等部门的20余个研究项目,涉及约2亿元人民币,持续引领着技术发展方向,相信在不久的将来一定会在新机研制中发挥更大作用。

义勇展翅凌霄志,鹘鹰冲天伴梦飞。王向明和他的团队仍在创新的王国里遨游,使飞机结构设计这一“经典”学科焕发出崭新的活力,继续追寻他们的结构技术创新之梦。

人物档案

王向明 工学博士、研究员、博士生导师。多年从事飞机创新结构设计、制造技术研究。现任沈阳飞机设计研究所(601所)项目总设计师、“鹘鹰”中型四代机常务副总设计师,新型功能结构航空重点实验室主任、辽宁省增材制造工程技术中心主任。国防“973”技术首席专家、军委装发部先进制造技术专业组专家。先后承担原总装备部、军委装发部、科技部、工信部、科工局主管的有关研究项目20余项。发表论文、撰写重要研究报告70余篇,在国际大型学术会议作主题报告7次,出版专著4部,授权发明专利11项。曾先后荣获国家技术发明奖一等奖1次、二等奖1次,国防科技进步奖一等奖2次、发明奖二等奖1次。获航空航天月桂奖(技术先锋奖)。航空集团一等功1次、二等功4次,获荣立航空报国金奖3次及中航工业探索发明个人奖。获辽宁省十大创新能手、辽宁省五一劳动奖章、辽宁省先进工作者等荣誉称号。
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CDer:000980846
发表于 2019-11-13 11:35 | 显示全部楼层
看好骨鹰
骨鹰好看
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CDer:000236525
发表于 2019-11-13 12:32 | 显示全部楼层
一架鹘鹰,验证了很多厚积薄发的“东西",形成了一个全新的研发、设计、制造体系,上了一个新的平台。是整体的提升和发展。
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CDer:000861252
发表于 2019-11-13 12:59 超大游击队员 | 显示全部楼层
是的利用这个平台。进行了飞机总体设计,加工工艺,材料等基础研究。有了这些基础研究才会?造出好的飞机
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CDer:001110551
发表于 2019-11-13 13:05 | 显示全部楼层
赶紧做出来吧,到现在为啥还不能有个准信
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CDer:001110880
发表于 2019-11-13 13:31 超大游击队员 | 显示全部楼层
这个旧闻了,去年就有人发过了
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CDer:001103094
发表于 2019-11-13 13:53 | 显示全部楼层
贡献很大,应该获得国家工程院院士头衔
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