航天多功能结构融合机-电-热-辐射等多种功能以满足不同应用需求,它通过紧凑而灵活地集成以减少冗余组件,大幅度提高空间利用率并降低系统质量,因此是航天装备的重要组成部分。但是在多功能结构设计与制造方面仍存在着诸多问题与挑战,制约其快速发展。相对于传统承力结构,功能种类的增加要求设计同时兼顾不同领域的多种需求,不仅在有限空间内实现合理布局,还需建立能够耦合多学科差异性指标的优化设计模型。多功能高度集成化设计同时也增加了制造难度,尽管增材制造(3D打印)能够实现复杂结构成形,但是调控多种功能所需的不同材料依赖于各自独立的制造装置与成形工艺,难以相互匹配形成统一的多功能结构制造工艺体系。此外,在未知复杂环境下进行制造,现有决策方法难以实时分析和提取环境信息,无法实现功能结构实时打印与路径规划协同调整的高效精准化制造。
针对上述问题,本文利用连续碳纤维和多种金属丝作为增强相来调控结构功能特性,在航天应用背景下开展多功能结构设计与打印技术研究。选取典型板状结构作为研究对象,分析其在机械、热学、电学和辐射等多方面的性能需求,提出多功能集成化设计布局与优化方法,建立能够同时融合多功能结构不同材料和工艺参数的多维度数字模型;在设计与建模基础上,基于熔融挤出成形技术研究与连续碳纤维和金属丝增强的多种复合材料相匹配的打印方法,根据打印区域特点自适应规划填充路径;针对未知环境利用语义分割实时分析打印场景,提出功能结构打印与路径规划协同调整的智能化自主决策方法;最后实现多功能结构原位一体化增材制造实验验证与性能评估,并以微纳卫星原型模块化组装为示例验证本文提出的多功能结构定制化设计打印方法可行性。
为了在有限结构空间内对涵盖不同需求的多种功能进行布局设计,并建立不同学科领域多种功能特征的耦合关系,首先基于面向增材制造的设计思想提出按照层类离散的布局方法,各层类单元通过连续碳纤维和金属丝增强的复合材料进行性能调控,再融合机械、电学、热学和辐射屏蔽特征进行设计优化建模以及无量纲化处理,利用遗传算法以综合性能最优为目标求解设计参数。针对多功能结构设计模型,建立能够包含不同材料特性和对应工艺参数的多维度数字模型,实现数字模型的可视化验证。
根据多功能结构设计中不同复合材料的一体化成形需求,研制能够兼容连续碳纤维和金属丝增强树脂基的高温复合材料打印头装置;在明确高通量丝材挤出供料比与宽度的关系后,基于三维渐进损伤建立了描述打印结构三维各向异性和涵盖分层行为的力学模型,形成连续碳纤维和金属丝增强复合材料的成形参数体系;针对多功能结构不同区域,结合计算机图形学、深度强化学习和数据库搜寻方法开发自适应路径规划策略并生成打印路径,实现多功能结构先局部规划后整体集成的工艺流程。
为了实现打印系统高效智能化控制,并在面对未知复杂环境具有自主打印决策能力,采用语义分割来分析打印环境,通过搜集与理解环境信息进行推理判断,建立实际环境与虚拟路径规划之间的联系。以导线凹槽结构打印与修复为例,利用对图像低层次细节和高层次语义分开处理的Bi Se Net V2网络架构来兼顾图像特征提取的高效率和高精度。在深度强化学习中基于DQN(deep Qnetwork)算法建立包含主线奖励和辅助奖励的函数,平衡喷头独立探索时的打印速度和打印质量。智能化控制方法根据打印过程同步调整路径规划,实现了功能结构制造效率的提高。
最后,开展了连续碳纤维和金属丝增强多功能结构原位一体化增材制造验证,通过实验与仿真相结合的方式评估多功能结构机械、热学、电学和辐射等功能特性,选取相同尺寸的树脂基体传统结构作为对照,研究多功能结构在机械刚度、电信号传输、热传导、辐射阻隔方面的性能提升效果。利用所提出的多功能结构设计与制造方法定制化微纳卫星原型模块并进行测试,结果显示通过该设计与制造方法实现了航天器件的快速组装成形以及确保了功能正常运行,并为航天装备开发提供了研究基础。
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