飞机结构表面涂层的热应力拓扑优化

2017-06-07王明庆

装备制造技术 2017年2期

关键词：界面优化结构

王明庆

飞机结构表面涂层的热应力拓扑优化

王明庆

（中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海201210）

飞机结构表面涂层与机体结构零件之间的热膨胀系数的失配引起的残余应力影响着涂层的机械和物理性能。使用拓扑优化方法设计涂层和零件之间适当的界面形式，使整个结构的总应变能达到最小。优化结果可为不同尺寸零件

的涂层设计提供参考。

飞机；表面涂层；热应力；拓扑优化

热应力是影响飞机结构表面涂层性能的一个重要因素。由于晶格常数的失配和热膨胀系数的失配，在涂层与结构界面处存在着残余应力。这些应力将导致涂层的裂纹、位错及其他类型的损伤，这些损伤对涂层的物理性能具有显著的影响。

飞机结构表面涂层与机体结构零件可以整体看作涂层/基底结构。目前已存在若干种减小涂层/基底结构中的残余应力的技术，如使用缓冲层、应变平衡法等。但是如果使用缓冲层，就必须引入另一种材料，这可能对整个结构的物理性质产生其他方面的影响。应变平衡法适合多层涂层问题，即具有两层以上涂层的结构，而对于双层结构则是无效的。

本文给出了另一种获得低应力涂层/基底结构的方法，即使用拓扑优化方法[1-4]来设计界面形式，使整个结构的总应变能最小化。该方法的优点在于其对涂层的层数和厚度没有限制，并且易于扩展以解决其他种类的残余应力问题。