原创吴应清科学中国人
《科学中国人》封面人物——王向明
“没有什么是一成不变的”
“飞机结构设计是一项创造性工作，没有什么是一成不变的”，这是沈阳飞机设计研究所（以下简称“沈阳所”）项目总设计师王向明经常挂在嘴边的一句话。他从事飞机结构设计已经30多年，主持和参与了多个型号战机结构的设计工作。
在国际社会高度竞争发展的今天，无论是国家安全，还是经济建设，都要依靠强大的国防力量作为后盾。有实力，才有底气。先进战机作为航空武器装备克敌制胜的重要因素，更是我国广阔海空疆域安全保障的重要支撑。
迄今为止，战机已经发展至第四代（国外称第五代），例如美国F-22、F-35，俄罗斯苏-57等。但王向明指出，无论哪一代战机，都离不开机体结构。机体结构构成了飞行和装载平台，是影响飞机战技性能和飞行安全的关键因素。机体结构通常占飞机空机重量的45%以上，比例高、影响大。现代战机结构普遍存在着两类棘手的问题——新机研制普遍超重、服役型号频繁开裂。超重通常达8%以上，这样算下来，轻则数百公斤，重则甚至上吨，而疲劳开裂约占外场损伤总量的80%。这两类问题影响极大，其中结构超重会降低飞机战术、技术指标，使飞机变得笨重、航程变短、挂载武器减少；疲劳开裂则会直接影响飞行安全，降低服役战机的完好率、出勤率。
王向明介绍，结构设计通常采用先进技术手段来挖掘潜力，例如优化、数字化等精益设计，复合材料、钛合金等先进材料替换，高效数控加工、焊接、超塑成形、3D打印等先进制造工艺应用等，但他同时感叹，重量和寿命指标已达极致，触及“天花板”，甚至发展至没有飞机不超重、没有型号不开裂的境地。即便航空技术先进的西方发达国家，同样也面临着如此窘境。
传统结构伴随四代战机已走过70多年，经历了经验设计（继承设计）、等代设计、精益设计。半个多世纪以来，结构设计/分析方法、计算机/数字化技术、先进材料/制造技术发展迅猛，但结构自身发展较慢，相对滞后，超重、开裂仍是设计师们最为头疼的问题。
战机传统结构的弊端长期难以突破源自于飞机结构的异常复杂。王向明为记者一一分析，传统结构零件多、重量大、危险部位多、连接异常复杂。结构型式单一，零部件离散，以接头连接、铆接/螺接为主，涉及十余个大部件、上百种工艺、数万个零件、数十万个标准件，连接过多导致结构超重、疲劳薄弱环节增多。
“飞机结构设计是个老专业，结构形式多年不变，可以说‘耳熟能详’，非常‘经典’。我们以往所做的结构设计除了画图、CAD建模，没有更多事情可做，诸如强度、寿命、隐身功能、可制造性、可维护性等属性主要依赖其他专业。久而久之，结构设计就只以结构画图/建模示人，以至于很多同行、领导都误认为结构设计的核心工作只是画图、建模。评价结构设计师的标准也就成了看谁把图画得漂亮，画得快，画得准。”王向明的话语中充满了无奈。
“画图、建模仅仅是设计思想的表达，而逐一准确地定义零部件各方面的属性才是真正意义上的飞机结构设计，结构技术必须要创新发展，才能支撑新一代战机研制！”尽管不被外界所了解，但这是王向明经常告诫自己团队成员的一句话，也是他在30多年职业生涯中执着追求的技术方向。
王向明曾在原总装先进制造技术专业组做专家20余年，多年研究工作的积累使他深刻认识到，飞机结构的研制长期采用串行“孤岛”模式，设计与制造脱节，闭门造“图”，设计技术发展没有原动力，被迫借鉴、继承老旧结构，超重、开裂周而复始。所谓“一代飞机、一代技术”，新一代战机研制需要与之相称的结构技术支撑。“我不相信，用老旧飞机结构能搞出新一代战机！”王向明如是感慨。
先进制造技术的迅猛发展为飞机结构创新提供了契机，何不利用这些先进制造工艺来发展自己的设计技术呢？王向明无时无刻不在思索着。飞机结构创新设计/制造一体化的技术方向应运而生，他由此提出基于先进制造量身定做“四化”创新结构，即新概念结构——大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和功能结构一体化，以实现高减重、长寿命、多功能、低成本、敏捷制造，进而支撑新一代战机型号研制。
不难看出，传统结构以画图/建模为主的串行设计模式已无法支撑“四化”新概念结构设计。为此，王向明早在年就提出了建立结构实验室的设想，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。他积极宣传，四处呼吁，克服重重困难，历时10年坚持不懈，不断用重要研究进展和标志性成果打破“伪命题说”，终于创建了“飞行器新概念结构航空科技重点实验室”“辽宁省增材制造共性技术创新中心”等研发平台，这是国内首家用于飞行器结构创新设计/制造一体化的研发平台，专门用以孵化飞机新概念结构，先后成功申请立项了飞行器结构领域唯一的国防原“”项目、创新结构探索项目、先进制造技术集成验证项目等，为沈阳所乃至全行业结构技术的发展贡献力量。
审阅文件
不走寻常路，突破“天花板”
从一个奇思妙想的产生，到技术验证，再到技术成果的取得和应用，王向明的研究之路并非一帆风顺。在新概念结构研究过程中，就必须要面对“既要设计得出，也能造得出，并保障使用安全”等重重问题的挑战。
飞机传统结构设计主要采用串行模式，类似流水线，分别以“孤岛”形式存在，无法适应“四化”新概念结构技术带来的挑战。为此，王向明提出多约束协同设计方法，即将强度/刚度、寿命、功能、维护、材料、制造、周期等属性约束均前移至设计源头，用其设计许用值构建多约束设计域，搭建创新结构设计的“舞台”，以增强工程可实现性。
王向明基于多约束协同设计方法，发明了无接头连接的翼-身整体大部件。传统机翼与机身是分开的，采用很强的接头和大规格螺栓进行连接。该连接区域是全机关键部位，重量大、应力集中严重，多采用高强度钛合金或高强钢来保障安全。另外，传统机翼-机身组合接头占用空间大，凸出理论外形，必须“鼓包”，直接否定先进气动/隐身布局。通过弱化应力集中、使参与区最小化（参与区是非承载的“偷懒区”）、消除接头连接，建立了翼-身整体大部件。这种大部件的零件数量少、结构完整性好，采用铝合金即可满足要求，而且能大幅度减轻结构重量，增加装载燃油，但存在可制造性、裂纹扩展抑制和可维护性等难点。
针对可制造性，王向明提出了铝合金加强框-翼梁整体件设计/制造一体化方法。选用铝合金预拉伸厚板，通过残余应力对称释放、优化机加工艺路径，实现大长细比框-梁整体件机加翘曲变形有效控制。同比传统钛合金框梁组合结构，零件减少一半，减重超过1/3。
针对确保寿命安全的裂纹扩展抑制，王向明提出长寿命金属层合结构设计方法。钛合金是现代战机结构的骨干材料，多为主承力结构。但是，钛合金也存在着相应的弱点，当应力水平高于某临界值时，裂纹失稳扩展现象普遍，即扩展过程极短，会毫无迹象地瞬间断裂，导致结构寿命安全存在较大隐患！美国的Ti-6Al-4VELI超低间隙元素钛合金、国内TC4-DT损伤容限型钛合金等就是针对这类问题研制的，虽然有所缓解，但问题仍然存在。而王向明则另辟蹊径，基于扩散连接制造技术提出了钛合金层合结构设计方法，即将钛合金板材逐层累积叠加扩散焊为一个整体，通过适当布置非焊合区，迫使裂纹扩展路径“拐弯”，以此延长裂纹扩展寿命。他在研究过程中发现了裂纹扩展“平台”特征，据此发明了钛合金层合结构，使裂纹扩展寿命显著延长。另外王向明还提出了基于特种加工的金属梯度结构设计方法，使好钢用在刀刃上，并发现了裂纹扩展“拐点”特征。据此发明钛合金梯度梁肋结构，使减重和寿命取得显著收益。
无接头连接的翼-身整体大部件在带来显著收益的同时，也面临内部系统维护安装通道所需的开口较多进而破坏整体性的矛盾。例如，机身整体油箱需要在上表面开设数十个维护开口/口盖进行例行维护。开设众多开口/口盖，使整体大部件的优势荡然无存。为此，王向明基于黏弹性材料界面库伦摩擦最大、临界比压最小、橡胶板与密封剂啮合匹配，提出啮合密封结构设计方法。发明的整体油箱干态啮合密封结构壁板可反复拆装，整体开闭，关闭时密封，开启时维护，使口盖数量锐减2/3。传统密封采用的是一次性密封“死结构”。啮合密封结构规避了大量开口破坏结构整体性的矛盾，同时减少了缝隙阶差，改善了气动和隐身。有趣的是，王向明最初的原理验证是用家里的铝质饭盆完成的，至今仍存放在他的书柜里，虽历经26年之久，但里面的水仍然默默地守候着，诉说着曾经的故事。这个简陋的原理件虽然其貌不扬，但在王向明的心里却贵如千金。
此外，通过多约束设计创新研制的翼-身整体大部件实现减重1/4以上、疲劳危险部位减少3/4，机翼燃油增加多公斤。
王向明还提出了高颤振速度铰链式平尾机构/结构一体化设计方法。平尾是飞机飞行平衡配平的核心部件，一旦颤振发散到酿成坠机后果不堪设想，所以要尽量提高颤振速度。传统平尾颤振由多种因素耦合交织在一起，提高颤振速度困难而复杂，甚至不得不增加配重进行调节。另外，传统平尾的转轴尺寸较大，很难布置在机体尾部狭小空间内，必须“鼓包”，由此导致气动和隐身性能恶化。基于解耦简化，给舵机并联一套平衡杆来平衡驱动载荷，传给机身的载荷仅剩5%，即剥离机身支持刚度耦合作用。用铰链轴代替大直径转轴，它只传剪，即剥离传统大直径转轴弯/扭耦合作用。只需调节平衡杆参数，即可获得颤振速度目标值，使抗颤振设计实现解耦简化。揭示了该平尾颤振速度响应规律，研制的铰链式平尾部件颤振速度提高1/3，平尾减重1/5，转轴直径减少2/3。
王向明率领团队将上述研究内容进行了充分技术验证，成功实现了工程应用，突破了传统结构重量和寿命的极限束缚，打破了传统结构“天花板”，“新型战机新概念结构与快速试制技术”项目一举获得国家技术发明奖二等奖。
王向明在国家科技奖励大会现场
敢为人先，打印奇思妙想
同传统机加减材、锻铸与钣金成形等工艺相比，增材制造（俗称3D打印）的“生长”特性为结构设计拓宽了自由空间，可作为飞机结构创新的孵化器，因此受到国内外工业界高度重视。工业发达国家均将其视为国防现代化和作战能力提升的重要支撑。
王向明介绍说，飞机结构增材制造的应用研究迄今已开展30多年，但应用范围、数量规模仍受局限，国内外仅有几种型号飞机在少量应用，且以次承力件为主，例如波音、空客A等。尽管增材制造在控形、控性和工艺装备等方面已取得重大突破，但由于缺少创新设计方法引领，单纯套用锻铸件优势不大，即想用但不太会用；另一方面，缺少性能评定/验证方法支撑，寿命安全说不清，即想用但不太敢用。二者被美国联邦航空局列为增材制造应用技术的主要难点之一。
早在年，王向明就与北京航空航天大学的王华明教授（年当选中国工程院院士）开展密切合作，共同为飞机结构件“量身定做”，即常说的设计/制造一体化。那段时间，二人几乎每周都要凑在一起研究讨论各种各样的技术问题，心无旁骛、全神贯注。甚至发生过两人中午到餐厅吃饭，由于讨论问题过于投入，直到下午两点，竟然忘记了点午餐的趣事。
王华明教授率先在钛合金大型复杂主承力件激光熔化沉积控形、控性、装备、标准等方面取得重大突破，而王向明考虑更多的则是如何实现创新设计、确保使用安全，着重解决3D打印面临的“会用、敢用”的问题。
王向明借助在原总装先进制造专业组担任增材制造责任专家的机遇，规划出基于增材制造的大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和功能结构一体化等飞机新概念结构领域，主导系统级技术开发与工程化验证，做前人不敢做的事，开始走上打印奇思妙想的逐梦之旅。
他基于发明的增材熔合连接方法，提出多种增材主承力结构设计方法，即通过增材熔化沉积填充，一边成形、一边连接，将两个构件合并为一个整体，使构件做得更大、更复杂。其中具体包括残余应力临界值仿真预测、离散分区成形、去除残余应力、增材熔合连接，涵盖创新设计、性能评定、工程验证等。与焊接的区别是，突破厚度限制，力学性能与母材相当，近似“无痕”连接。研制出框-梁等多种整体主承力结构，拓展法向复杂承载维度。
接受媒体采访
针对熔合连接区疲劳特性评定，王向明提出当量应力集中系数法。将熔合连接区内部细观缺陷打包，与母材宏观应力集中当量等效，利用名义应力法确定当量应力集中系数值和寿命算法，以此作为疲劳和工艺质量评价判据。针对疲劳寿命安全，王向明建立工程化验证专用模式，与传统积木式验证不同的是，力学性能考核与工艺过程循环迭代，这样可及时暴露性能缺陷，加快改进，使增材制造主承力结构件的寿命安全保障有了技术支撑，进而解决寿命安全风险控制难题。
拓扑结构是公认的轻量化结构，减重效率可近一半，具有极大应用潜力，受到工程界的普遍
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