西北工科大学張衛宏院士：高速航空機における構造最適化と積層造形技術の応用と課題

出典: メカニクスと実践
著者: Quan Dongliang、Shi Guanghui、Guan Chengqi など

高速航空機は航空・宇宙分野における重要な発展方向であり、大きな戦略的意義と重要な経済的・社会的価値を有しています。今後数年から数十年の間に、兵器、航空機、スペースシャトルなどの航空宇宙装備は全面的な更新と置き換えに直面し、高速化は重要なトレンドとなる。代表的な計画としては、中国航天科技集団のスペースシャトルや、米国ロッキード・マーティンのSR-72極超音速コンセプト航空機などがある。 SR-72はマッハ5を超える速度で長時間近宇宙を飛行することができ、大気圏と宇宙軌道の間を往復することさえ可能です。高速航空機は、使用中ずっと複雑で過酷な負荷環境に耐える必要があります。一方、大気圏内での高速飛行中、高速航空機の表面は空力加熱により室温から極高温まで徐々に上昇します。例えば、マッハ 6 で飛行する高速航空機の前縁のよどみ点温度は 1500 K を超え、局所的な短期温度勾配は 700 K/cm にも達します。極限環境における短期温度上昇率は 50 K/s に達します。一方、高温や空力負荷による構造変形に加え、さまざまな原因による振動も高速航空機の設計で考慮しなければならない重要な要素です。例えば、局所的な内部および外部の流れ結合部における振動の総二乗平均平方根振幅は 20 g を超え、局所的な騒音環境は 165 dB を超えます。一般的に、従来の航空機と比較すると、高速航空機の運航環境は極めて過酷です。

中国航天科技集団の宇宙往復機の概念図は、従来の弾道航空機とは異なります。高速航空機は、長距離、長時間飛行、超高速飛行時の高操縦性などの性能要件を満たす必要があり、航空機の構造システムの軽量設計に厳しい課題をもたらし、構造質量係数をさらに低減する必要があります。構造質量係数は、航空機構造システムの質量と離陸質量の比であり、航空機構造の軽量さを測る指標です。現在、亜音速ミサイルの構造質量係数は約22％～25％、超音速ミサイルの構造質量係数は約25％～33％です。飛行速度が速いほど、軽量構造の設計が難しくなります。将来、航空機に熱保護および熱制御システムが追加された後、システムソリューションに優位性を持たせるためには、構造質量係数を20％以下に下げる必要があります。従来の航空機と比較すると、高速航空機は周囲温度や操縦性に対する要件が高く、負荷条件もより厳しいものとなっています。厳しい性能要件を満たしながら構造質量係数をどのように低減するかは、高速航空機の性能指標の実現と全体的な向上に関係しています。

構造軽量設計は高速航空機の発展を支える重要な技術であり、航空機の構造設計は構造質量係数の大きさに決定的な影響を及ぼします。伝統的な「経験的」な構造設計プロセスはボトムアップの「検証設計」であり、国内外の動向から判断すると、構造最適化技術を利用して主要部品の高性能軽量設計を行うことは、先進的な航空機設計において避けられない傾向になりつつあります。公式アカウントをフォローしてください：2機のパワーまず、2機の航空機に関する膨大な情報を無料で入手し、2機の航空機の主要技術に注目してください！

現在、国内外において高速航空機の構造設計における構造最適化技術の活用に関する公開報告はほとんどない。近年、工学開発のニーズに基づき、北京宇宙工学研究所、西北工業大学、大連理工大学が協力して、構造最適化手法とその高速航空機構造設計への応用に関する研究を行っています。

まず、構造最適化技術と、航空機部品の概念設計および航空機全体の構造へのその応用について検討します。次に、典型的な使用環境と設計要件に応じて、高速航空機の構造設計における主な問題と応用ニーズをまとめ、近年の高速航空機部品の概念設計および航空機全体の構造への構造最適化技術の適用の典型的な事例を紹介します。最後に、近い将来に突破または改善する必要がある構造最適化技術を提案します。構造最適化技術と設計経験の組み合わせは、設計コンセプトの変化をもたらし、先進的な航空機設計に不可欠なツールと標準プロセスとなるでしょう。主要なニーズに合わせた構造最適化の理論的研究とエンジニアリングの実践は、我が国の航空宇宙産業の中核競争力を強化する上で大きな価値があります。

構造最適化の3つのレベルとエンジニアリング設計との関係
部品は付加製造技術を使用して設計および加工され、性能の低下を最小限に抑えます。<br /> エンジンマウントジョイントは、エンジンの推力を伝達するために使用され、エンジンの推力伝達セクションにエンジンの両側に1つずつ対になって配置されています。取り付けジョイントは集中荷重支持部品であり、強度、剛性、耐熱性要件を満たすだけでなく、エンジンと機体構造の効果的な接続と確実な荷重伝達を実現する機能も備えています。関節構造の解析に基づき、トポロジー最適化とサイズ最適化手法を組み合わせて構造最適化設計を行います。構造上の支持性能と軽量化を重視し、設置操作性を考慮しており、部品は積層造形技術を使用して加工されるため、設計ではプロセスの制限は特に考慮されていません。最適化後、構造剛性指数はわずかに向上し、局所最大応力はわずかに増加しましたが、依然として安全範囲内です。従来の加工技術の元の設計スキームと比較すると、重量は 18% 以上削減されます。

取り付けジョイントの最適化設計舵軸の初期設計では、セグメント加工と溶接接続技術を採用しています。舵軸構造の解析と全体構造トポロジーの最適化の結果に基づき、サイズ最適化と軽量化設計、積層造形技術をさらに適用し、すべての性能要件を満たし、重量を 8.7% 削減しました。部品構造の最適化設計により、重点工学技術研究段階での改良や独自設計を実現し、耐荷重性能を確保しながら大幅な軽量化効果を実現しました。金属積層造形技術と組み合わせることで、部品の設計、製造、検証サイクルが大幅に短縮され、性能重視の構造設計が初めて実現されます。従来のプロセス重視の構造設計に比べ、プロセスによる性能低下が少なく、設計の自由度が高まり、軽量化効果も向上します。

舵軸構造の最適化設計コンポーネント設計、トポロジー最適化と積層造形を組み合わせることで、大幅な軽量化を実現できます。

航空機の軽量化と性能最適化の要件に応じて、舵に代表される部品構造の最適化設計作業を実施し、類似構造の比較的完全な最適化設計プロセスを確立しました。舵面は独立した部品として、高温と高圧の複合影響下における剛性、強度、慣性モーメントの要件を満たす必要があります。まず、トポロジー最適化を使用して主な力の伝達経路を取得し、設計者の経験に基づいて構造上の特徴を抽出します。再構築されたモデルは、寸法パラメータの最適化を通じて詳細に設計され、構造の重量が約10％削減されます。構造設計者は、コンポーネント最適化設計手法を使用して、スキームのデモンストレーション段階で構造を改善できます。応用事例は、構造最適化技術とエンジニアリング経験を組み合わせることで、機能要件を満たし、優れた性能を持ち、エンジニアリング実装が可能な構造を生成できることを示しています。

典型的な操縦面最適化設計航空機エンジンサスペンションは、エンジンと翼を連結する重要な構造であり、エンジンの推力とエンジン自体の重量を伝達する必要があります。現在の構造形式は、典型的なフレームビーム構造です。 COMAC の設計チームは、部品の応力解析、トポロジー最適化、リモデリングを実施し、最終的に元の重量の 1/10 軽量の 3D プリントサスペンションを製作しました。元の重量は 1,000 キログラム以上で、1/10 は 100 キログラム以上です。航空機の設計者にとって、100 キログラム以上の軽量化は注目すべき統計です。

COMAC チームは、航空機サスペンションのトポロジー最適化を実施し、全体的な構造システムを設計目標として、航空機のコンセプト設計全体を3D プリントしました。<br /> 概念設計段階で構造最適化技術を適用して構造コンセプトスキームを構築することは、困難な作業です。プロジェクトの予備研究に基づいて、トポロジー最適化に基づく高速航空機の全体構造の概念設計方法が検討されました。まず、負荷と設計目標に応じて、予備的な最大変形、重心位置、最小一次周波数の設計要件を推定し、トポロジー最適化によって構造品質指標の達成可能な下限を迅速に取得して、さらなる構造設計に使用できる一連の体系的指標を決定します。次に、トポロジー最適化設計結果に基づいて、パラメータ最適化モデルを確立します（機器スペースの確保、操作カバーの追加などの機能要件を考慮）。最後に、上記の構造体系的指標に従って最適化設計制約を確立し、構造システム全体の剛性の最大化を設計目標として寸法最適化設計を実行し、機械全体のパラメトリックモデルを取得します。構造概念設計段階で上記の 2 ラウンドの構造最適化を行った後、得られた航空機全体の構造概念設計スキームは、後の構造詳細設計段階で重要な参考資料として役立ちます。
高速航空機の概念的構造設計。図からわかるように、本研究の高速航空機はスクラムジェットエンジンを使用した超音速航空機と非常によく似ています。スクラムジェットエンジンは、実は航空機の全体構造の一部となっており、現在、国内外でこうした大規模一体構造の3Dプリントが進められています。詳細は下の写真をクリックしてご覧ください。

スクラムジェットエンジンの構造
構造最適化技術には早急なブレークスルーが必要 革新的な設計方法として、構造最適化法は、高速航空機の構造設計アプリケーションの探索において大きな能力と可能性を実証してきました。しかし、現在のアプリケーションは依然として主に冷間構造と中低温熱構造であり、構造性能は主に剛性、強度、固有振動数を考慮しています。材料は主に金属で、複合材料が部分的に使用されています。位相最適化設計結果の解釈と特徴抽出は依然として設計者の手動操作に依存しており、プロセスの制約はあまり考慮されていません。機械全体の概念設計は計算能力によって制限され、モデル規模は小さく、設計結果は粗いです。公式アカウントをフォローしてください：2機のパワーまず、2機の航空機に関する膨大な情報を無料で入手し、2機の航空機の主要技術に注目してください！

航空機設計における構造最適化の応用高速航空機の極限の負荷環境と高い性能指数の要件を満たすために、構造最適化技術は近い将来、以下の技術を突破または改善することが急務となっています。

（１）局所的な超高温熱拡散構造設計技術を確立する。

（２）大勾配・高温熱構造のトポロジー最適化技術を向上させる。

（３）動的荷重下における構造トポロジー最適化技術を改善し、局所的な動的応答特性を改善する。

（４）密度法を用いたトポロジー最適化結果の特徴抽出によって生じる性能低下を回避するための新たなトポロジー最適化手法を開発する。

（５）積層造形のためのトポロジー最適化技術を開発し、積層造形構造部品の性能評価および品質管理基準を確立する。

（６）セラミックス基複合材料の構造最適化設計技術の開発

（７）将来の複雑な再利用可能な構造最適化問題のための不確実構造最適化設計法をさらに改善する。

（８）並列計算に基づく超大規模構造物の高性能解析・最適化設計プラットフォームを開発し、大型部品や機械全体の詳細な概念設計を実現する。

構造最適化技術は国内外の航空宇宙分野で広く利用されており、特にトポロジー最適化技術は構造性能の向上と構造品質の低減に大きな役割を果たしており、業界で広く受け入れられています。トポロジ最適化技術の適用範囲は、リブ、ブラケット、ラックなどの部品から、胴体、セクション、さらには機械全体の最適化設計にまで拡大しています。高速航空機は、その過酷な動作環境と厳しい性能要件のため、構造最適化技術と製造プロセスが緊急に必要とされています。構造最適化技術は、部品や航空機全体の概念設計において大きな可能性を秘めていますが、より深い理論的手法と応用基礎研究がまだ必要とされています。

数多くの理論的手法の研究とエンジニアリング応用の実践により、構造最適化技術は航空機構造開発に効果的な設計ツールを提供するだけでなく、さらに重要なことに、設計コンセプトの変化をもたらすことが示されています。（1）構造最適化技術は、先進的な航空機の設計プロセスにおいて、徐々に不可欠なツールと標準プロセスになりつつあります。（2）構造最適化設計は、従来の経験と組み合わせることで、高性能軽量アプリケーションでより大きな役割を果たすことができます。（3）構造最適化設計は、航空機開発の詳細設計段階、基本設計段階、概念設計段階で役割を果たすことができます。（4）トポロジー最適化技術と積層造形プロセスの有機的な統合により、ゼロからの設計を実現し、構造最適化の役割を最大限に高めることができます。将来的には、構造設計と製造の複合技術となり、真の性能重視の構造設計を実現します。

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