航空发动机涡轮叶片光固化增材制造陶瓷型芯轻量化结构力学性能研究

Study on Mechanics Properties of Lightweight Ceramic Core Structure Made of Photopolymerization for Aeroengine Turbine Blades

摘要

面向航空发动机涡轮叶片铸造用陶瓷型芯的轻量化制造需求，基于光固化增材制造技术，系统研究了点阵结构拓扑优化设计及其力学性能调控机制。通过变密度拓扑优化方法对12类单体结构进行仿真分析，结合航空发动机涡轮叶片铸造用陶瓷型芯实际工况载荷，研究了单体类型、晶格尺寸与填充方向对轻量化结构性能的影响规律。研究结果表明：三角形蜂窝与六边形蜂窝结构因平面连接特性及协同应力分散机制，相较曲面/梁杆结构具有更优承载性能；晶格尺寸为1.5 mm的三角形蜂窝结构在UVW填充方向下力学性能较佳（等效应力15.05 MPa）。基于优化参数成功制备氧化硅基陶瓷型芯，其尺寸误差小于±0.05 mm，常温抗弯强度达30.7 MPa。

Abstract

Facing the lightweight manufacturing requirements of ceramic core for aeroengine turbine blade casting， the topology optimization design of lattice structure and the mechanics property regulation mechanism were systematically studied based on the photopolymerization additive manufacturing technology. Through the variable density topology optimization method， 12 kinds of monomer structures were simulated and analyzed. Combined with the actual working load of ceramic core for aeroengine turbine blades， the effects of monomer type， lattice size and filling direction on the performance of lightweight structure were studied. The results show that the triangular honeycomb and hexagonal honeycomb structures have better bearing performance than the curved surface/beam member structure due to the plane connection characteristics and the cooperative stress dispersion mechanism. The triangular honeycomb structure with lattice size of 1.5 mm has better mechanics properties（equivalent stress 15.05 MPa） in the direction of UVW filling. Based on the optimized parameters， the silicon oxide based ceramic core was successfully prepared， with a dimensional error is within ±0.05 mm and a bending strength of 30.7 MPa at room temperature.

Graphical abstract

关键词

结构设计 / 点阵结构 / 增材制造 / 数值计算 / 力学性能

Key words

structural design / lattice structure / additive manufacturing / numerical calculation / mechanics property

0 引言

增材制造技术在航空航天领域具有单件小批量的复杂结构快速制造优势，正朝着设计-制造一体化和结构-性能一体化方向发展。航空发动机热端部件涡轮叶片具有极端的高温性能要求和复杂的冷却结构要求。随着航空发动机对推重比需求的日益增长，涡轮进口温度从第三代发动机约1700 K提高到第五代2000 K以上。高温合金叶片组织由等轴晶结构发展至单晶结构，内部冷却结构也由单一对流气冷结构转变为双/多层壁超气冷结构，气膜孔结构由简单圆柱形转化为复杂异形，对现有涡轮叶片精准制造技术提出严峻挑战。目前国内外科研机构主要采用熔模铸造技术制造航空发动机空心涡轮叶片。针对单件小批量并含有复杂冷却结构的涡轮叶片，传统陶瓷型芯制备工艺需要多套工装模具，装配误差大、工艺控制难，导致航空发动机涡轮叶片研制周期长、响应速度慢、制造成本高。将光固化增材制造技术引入涡轮叶片铸造成形，可大幅降低结构复杂度的限制，实现型芯/型壳的无模化短流程制备，为空心涡轮叶片快速制造提供新途径。

随着熔模铸造朝着“精密、薄壁和无余量”的方向发展，陶瓷型芯的性能与精度面临巨大挑战。采用轻量化点阵结构可以在确保型芯功能前提下减少陶瓷材料的使用量，增强传热效果，进一步降低生产成本。在制造陶瓷型芯时，厚壁实心结构的型芯在烧结过程中产生较大的收缩应力，容易导致开裂变形，而轻量化结构设计可以有效减小烧结收缩应力，提高型芯成品率。采用点阵结构对陶瓷型芯厚壁内腔进行柔性填充，提高型芯强度和韧性，使其在铸造过程中能够承受更大的应力和变形。此外，轻量化结构设计可以使陶瓷型芯更精确地控制铸造件内部结构和尺寸，提高铸造件性能和质量^［1-3］。在航空发动机单晶涡轮叶片精密铸造过程中，陶瓷型芯与金属液、陶瓷型芯与涡轮叶片之间因润湿性和不充分接触而使这些固-固、固-液界面处存在热阻，轻量化设计可减少陶瓷型芯的材料使用量，显著降低热阻^［4-5］。同时，采用轻量化结构或复杂的多孔结构可以增大陶瓷型芯的比表面积，从而提供更多的传热路径，提高传热能力。

李素文等^［6］设计并采用光固化工艺制备无梯度和30%梯度的Al₂O₃陶瓷点阵结构，将聚脲浸渗入Al₂O₃梯度点阵获得陶瓷/聚脲复合结构，发现梯度复合结构相较于对应的单一Al₂O₃陶瓷点阵结构，抗压强度和能量吸收分别提高160.9%和1487.1%。金波成等^［7］利用数字光处理光固化3D打印（DLP）技术制备出包括以Gyroid（螺旋二十四面体）为代表的TPMS（极小三周期曲面）结构和以Octet truss（八面体桁架）为代表的桁架结构，比较了两种氮化硅陶瓷点阵结构的几何参数对点阵结构力学性能影响，研究结果表明，在单胞尺寸参数相同的条件下，Gyroid与 Octet truss结构相比表现出更加优异的力学性能。周海伦^［8］对陶瓷点阵结构进行梯度优化设计，结果表明，合理的分层梯度设计可以提高结构的压缩力学性能和能量吸收特性。GAO等^［9］采用三点弯曲试验研究ZrO₂（3Y-TZP）陶瓷六边形和正方形蜂窝夹层结构的弯曲性能，分析面板厚度、单元高度、单元壁厚度和单元尺寸等几何参数对陶瓷型芯性能的影响，研究结果表明，单元高度、单元壁厚度和单元尺寸是衡量陶瓷型芯板抗弯性能的重要几何参数，且正方形蜂窝的弯曲性能优于六边形蜂窝。KAFKASLıOĞLU YıLDıZ等^［10］研究了正方形、三角形和圆形等单元晶胞结构的Al₂O₃蜂窝夹层结构力学性能，发现具有正方形芯的Al₂O₃蜂窝夹层结构更适用于轻量化设计，同时指出Al₂O₃蜂窝夹层结构在氮气氛围中进行脱脂，可显著提高陶瓷型芯试样的致密性，同时获得较高的比刚度。HU等^［11］开展点阵结构轻量化陶瓷型芯的光固化增材制造研究，通过具有不同点阵结构的圆柱形试样进行单向压缩试验，对比不同结构力学性能，选择了综合性能优异的交错立方体结构填充型芯厚壁，采用的交错立方体结构具有33%的相对密度，单元尺寸为4 mm，型芯外壁厚为2 mm。

本文基于拓扑优化技术，对陶瓷型芯点阵结构单元构型进行设计并开展力学性能优化分析，研究单体类型、晶格尺寸和填充方向对陶瓷型芯实际工况下力学性能的影响规律，形成点阵结构单元数据库。结合航空发动机单晶叶片陶瓷型芯在脱脂烧结和精密铸造时载荷分布特点填充点阵结构单元，实现面向陶瓷型芯轻量化结构创新设计与柔性制造。

1 轻量化设计单体晶胞结构

在光固化陶瓷型芯制造与应用中，应用场景和工作条件比较复杂，很难确定最适合的点阵结构类型，这限制了点阵结构在轻量化设计和制造方面的创新应用。本文提出面向航空发动机单晶涡轮叶片陶瓷型芯增材制造的点阵结构构型创新设计方法，实现复杂结构陶瓷型芯的增材制造和形性精确调控。

1.1 点阵结构设计方法

结构拓扑优化^［12］是通过优化材料在给定设计域内的分布来实现特定性能目标的结构设计方法，其核心在于确定材料的较优布局，使得结构在满足约束条件下达到较优性能。拓扑优化的结果通常表现为材料的有无分布，即通过“0-1”分布来描述材料的存在与否，形成复杂的几何点阵构型^［13］。点阵结构是由周期性或非周期性排列的单元胞组成的多孔材料或结构，其设计方法结合了拓扑优化、材料科学和制造技术，旨在实现轻量化、高强度和多功能等目标^［14］。其基本指导思想是将周期性点阵结构视为等效均匀材料，通过计算单元晶胞的平均力学性能，得到宏观尺度的等效材料属性。

单元晶胞是点阵结构的基本构建单元，本文基于均匀化理论与变密度法的拓扑优化方法提出了一种单元胞点阵结构设计方法，并用数学模型表示，其流程如图1所示。

首先，将单元胞域Ω离散为有限元网格，每个单元定义材料密度变量ρ_e∈｛0，1｝，其中0表示材料空缺，1表示材料存在。

其次，施加周期性边界条件以保证单元胞在宏观结构中能够无限扩展，位移协调条件为

{\mu }_i(\mathit{x}+\mathit{L})={\mu }_i(\mathit{x})+{\mathit{\epsilon }}_{ij}{\mathit{L}}_j（1）

式中：{\mu }_i为位移场的第i个分量，是微观尺度位移；\mathit{x}为位置坐标向量，描述单元胞内的空间位置； L 为单元胞的尺寸（如立方胞的边长）；{\mathit{L}}_j为单元胞尺寸在第j方向的分量；{\mathit{\epsilon }}_{ij}为宏观应变张量，是施加在结构上的均匀应变。

再次，通过均匀化理论推导等效弹性张量：

{\mathit{C}}_{ijkl}^{\mathrm{H}}=\frac{\mathrm{1}}{\left|\Omega \right|}{\int }_{\Omega }({\mathit{C}}_{pqrs}(\rho )-{\mathit{C}}_{pqrs}(\rho )\frac{\partial {\mathit{\chi }}_m^{kl}}{\partial x_n})\mathrm{d}\Omega（2）

式中：下标i、j、k、l、p、q、r、s、m、n为张量指标，遵循爱因斯坦求和约定，表示三维空间中的方向；上标H表示等效性；上标k、l表示所对应的宏观应变模式；{\mathit{C}}_{ijkl}^{\mathrm{H}}为均匀化后的等效弹性张量，表征单元胞的宏观力学性能；\left|\Omega \right|为单元胞的体积（设计域的总空间）；ρ为材料密度变量，取值范围为［0，1］；{\mathit{C}}_{pqrs}(\rho )为材料弹性张量，主要依赖于密度变量ρ；{\mathit{\chi }}_m^{kl}为特征位移场，在周期性边界条件下求解得到，反映微观变形模式。

然后，采用固体各向同性惩罚模型（SIMP）关联密度与弹性张量，建立密度与弹性张量的非线性关系：

{\mathit{C}}_{ijkl}({\rho }_{\mathrm{e}})={\rho }_{\mathrm{e}}^p{\mathit{C}}_{ijkl}^{\mathrm{0}}（3）

式中：{\mathit{C}}_{ijkl}({\rho }_{\mathrm{e}})为插值后的材料弹性张量，与密度相关；p为惩罚因子（p≥3），用于抑制中间密度值，促进“0-1”分布；{\mathit{C}}_{ijkl}^{\mathrm{0}}为实体材料的固有弹性张量。

最后，构建带约束的优化目标函数：

\underset{\rho }{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\mathit{\epsilon }:{\mathit{C}}^{\mathrm{H}}:\mathit{\epsilon }（4）

s.t. \frac{\mathrm{1}}{\left|\Omega \right|}{{\int }_{\Omega }\rho }_{\mathrm{e}}\mathrm{d}\Omega \le V_{\mathrm{f}}（5）

\nabla •\mathit{\sigma }=\mathrm{0} in\Omega（6）

其中，\mathit{\epsilon }:{\mathit{C}}^{\mathrm{H}}:\mathit{\epsilon }为宏观应变能密度，目标是最小化柔度；\mathit{\epsilon }为宏观应变张量，由外部载荷或边界条件定义；V_{\mathrm{f}}为体积分数约束，是允许使用的材料体积与设计域总体积的比值；\mathit{\sigma }为微观应力张量，式（6）为静力平衡方程。

该优化目标函数经过迭代之后可生成点阵结构几何。该方法通过微观拓扑优化与宏观等效性能预测的耦合，实现了可定制的等效力学性能、严格的周期性约束保证和较好的轻量化效果。

1.2 点阵结构单元设计

针对航空发动机涡轮叶片精密铸造用陶瓷型芯，利用变密度拓扑优化思想，结合点阵结构的实际工况，优化出应用工况下性能较优的点阵结构单元。初始设计模型为8 mm×8 mm×8 mm的立方体实心样块，结构整体均为优化区域。通过比较轻量化设计效果，对实体测试块进行静力学仿真，优选出适宜采用的轻量化设计单体结构。鉴于试验采用的是氧化硅基陶瓷浆料，仿真设定测试块材料的弹性模量为72 GPa，泊松比为0.16，密度为2.2 g/cm³。

在测试块底部设置固定支撑，在顶部施加4 MPa的压强，也就是均布256 N的压力，压力计算式为

F=PS=\mathrm{4}\times {\mathrm{10}}^{\mathrm{6}}\times {\mathrm{8}}^{\mathrm{2}}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}=\mathrm{256}\mathrm{N}

静力学仿真边界条件如图2所示。

模拟研究了测试块的最大形变量和等效应力，结果如图3所示，可以看出，实体测试块在顶部承压的情况下，最大形变量为0.062 mm，等效应力值为16.14 MPa。

试验进一步对比研究包括6种TPMS单体在内的12种拓扑单体，各单体结构如图4所示。

图4a~图4f为典型的梁杆类晶胞，由一系列相互连接的杆件（或支柱）组成，这些杆件以不同的方式连接，如顶点连接、边缘连接、面连接或多点连接，形成规则多孔结构^［15-17］。梁杆类晶胞的承载特性可通过麦克斯韦数进行量化，其设计灵活性高，通过调整杆件的截面形状、晶格尺寸和连接方式等来实现轻质和优异的比刚度和比强度^［18］。图4g~图4l则是典型的TPMS类晶胞，TPMS类晶胞是具有周期性重复单元的三维曲面结构，其表面平均曲率为零且光滑，整体结构相互贯通。TPMS结构可以通过数学表达式精确描述，孔隙率和比表面积等基本性能可以利用函数表达式参数直接调控。TPMS结构表面光滑，没有点阵多孔结构的尖锐转折和连接点，有助于减少应力集中现象，提高结构强度^［19-21］。同时，TPMS结构的中间曲面可在陶瓷型芯紧密浇铸时将金属液进行分流，有助于换热并提高传热效率^［22-23］。

2 轻量化设计结构力学分析

本文采用数值仿真软件Ntopology研究单体类型、晶格尺寸和填充方向对轻量化结构设计陶瓷试样力学性能的影响，优化得到适宜陶瓷型芯增材制造的轻量化点阵结构。

2.1 单体类型对轻量化结构设计的影响

单体分为面结构和梁杆结构，通过调整面结构的壁厚或梁杆结构的杆径来调整不同单体的减重率。为更准确地比较不同单体镂空后的性能，设计单体晶胞大小为2 mm×2 mm×2 mm，调整不同单体的减重率均为50%±1%，采用不同单体对测试块进行填充后的模型如图5所示。

在相同受力条件下，数值计算得到用不同单体进行拓扑填充的等效应力变化规律，结果如图6所示。仿真结果设置相同的标尺，发现梁杆类单体应力主要集中在支柱上，且支柱尺寸越小，相对应力集中程度越高，如图6c和图6e两种单体结构；对于TPMS类单体，应力则主要集中在曲面片折弯处，这是因为曲面片曲率越大，受力时越容易变形。

采用不同类型单体进行轻量化设计后等效应力仿真结果如图7所示（横坐标中的a~l对应图4中各分图），可以看出，采用不同的单体进行轻量化设计会产生不同的减重效果和等效应力，通过比较相对等效应力，可发现采用三角形蜂窝结构（a）单体和六边形蜂窝结构（d）单体的相对等效应力较小，分别为21.7 MPa和22.1 MPa，取得相对较优的轻量化设计效果。这是因为这两种单体结构采用平面连接，相对于曲面连接或梁杆连接的单体具有更高的强度。另外这两种单体结构力学性能优势还源于其几何拓扑特性与应力分布机制的协同作用。首先，六边形蜂窝因其高度对称的几何特征，在面内载荷作用下能够通过胞壁的均匀弯曲和拉伸变形有效分散外部载荷，从而降低局部应力集中现象。六边形蜂窝结构在压缩载荷下可通过胞壁的协同屈曲形成渐进式塌陷模式，这一机制显著提高轻量化结构的能量吸收效率，同时避免了因局部失稳导致的应力突变。相比之下，三角形蜂窝的力学特性与其独特的节点连接方式密切相关。三角形蜂窝结构通过密集的节点连接形成多向支撑网络，这种拓扑构型能够将外部载荷分解为多个方向的力链，并通过节点间的内力平衡实现应力均匀化。此外，三角形结构的几何刚度较高，其胞壁在压缩过程中倾向于以轴向压缩而非弯曲变形为主，从而减少了因弯矩引起的应力梯度，三角形蜂窝的节点区域因多向支撑效应而呈现更均匀的应变分布，这是其等效应力小于其他非对称构型的重要原因。后续轻量化研究针对三角形蜂窝结构和六边形蜂窝结构单体开展。

2.2 晶格尺寸对轻量化结构设计的影响

为研究三角形蜂窝结构和六边形蜂窝结构晶格尺寸对轻量化结构力学性能的影响，选择边长8 mm的正方体单元作为测试块，测试块壁厚设置为1 mm，在其他条件相同情况下，对三角形蜂窝结构单体和六边形蜂窝结构单体分别设计了6种晶格尺寸，立方体晶格边长a分别为4、3、2、1.5、1、0.5 mm，同时为保证轻量化减重率的一致，相应地调整了单体壁厚，分别为0.8、0.6、0.4、0.3、0.2、0.1 mm，采用不同晶格尺寸的轻量化设计效果分别如图8和图9所示，具体等效应力仿真结果如图10所示。

由图10分析可知，不同晶格尺寸对测试块等效应力具有较大影响。对于六边形蜂窝结构，随着轻量化结构晶格尺寸由4 mm递减至1 mm，等效应力逐渐降低至较小值，最小值为16.81 MPa，而当晶格尺寸设定为0.5 mm时，等效应力出现波动。这是因为随着晶格尺寸的减小，单胞数量呈几何级数增加，使得结构内部形成更高密度的应力传递路径，显著提高载荷分配效率。同时胞壁长细比（长度与厚度之比）同步减小，使得胞壁变形模式从弯曲主导逐渐转变为轴向压缩主导，从而有效抑制了因弯矩而引起的局部应力集中。综上，当晶格尺寸为1 mm时，六边形单胞的应力分布均匀性达到较优状态，各向同性特征显著增强。但是当晶格尺寸为0.5 mm时，会在局部呈现应力集中，导致等效应力出现反常波动，其本质原因涉及多尺度效应的交互作用。从细观力学角度来看，超细晶格导致胞壁厚度接近材料加工极限，此时制造缺陷对结构完整性的影响被放大。对于三角形蜂窝结构，随着晶格尺寸的逐渐细化，测试块等效应力呈现小范围波动现象，整体保持在16 MPa，当晶格尺寸为1.5 m时，取得最小值15 MPa，因此，选用三角形蜂窝结构，并确定晶格尺寸1.5 mm为轻量化设计参数，取得相对较好效果。

2.3 单体填充方向对轻量化结构设计的影响

对单体而言，以不同方向填充样件时，会产生不同的填充效果。在保证其他条件一致的情况下，模拟研究了尺寸1.5 mm的三角形蜂窝结构单体分别以UVW（其中，U、V、W分别表示横向、纵向和垂直方向）、VWU、WUV三种方向对测试块进行填充处理时的效果，结果如图11所示。由图11可知，在均为侧面受力的条件下，填充方向为UVW时，测试块等效应力取得最小值111.0 MPa；填充方向为VWU和WUV时，测试块等效应力分别为137.0 MPa和137.4 MPa。可见单体填充方向对轻量化结构存在较大影响，在进行轻量化设计时，需要考虑单体填充方向与试样主要受力方向的协调配合。

3 光固化陶瓷型芯轻量化结构设计与应用验证

将上述相关研究成果应用于陶瓷型芯试样，进行轻量化结构设计。选取的陶瓷型芯典型件如图12所示。

对选取的陶瓷型芯典型件进行轻量化设计部分优选，主要包括型芯底座、型芯支柱和型芯曲面片三个部位，考虑型芯曲面片厚度小于2.5 mm，先对型芯底座和型芯支柱进行轻量化设计验证，图13展示的是轻量化设计效果。根据上述对单体类型、晶格尺寸、填充方向的模拟仿真结果，设定填充的轻量化单体参数如下：类型为三角形蜂窝结构，尺寸为1.5 mm；同时，考虑陶瓷型芯在进行精密浇铸时受到的压力垂直于型芯支柱表面，所以选取填充方向为UVW。

对轻量化设计后的模型进行光固化增材制造工艺验证，试验采用的光固化设备为JH-C250，使用的氧化硅基陶瓷浆料的黏度系数为7 Pa·s、固含量78%、体积分数49%、粉体粒径D₅₀=10 µm。在光固化增材制造陶瓷型芯时，试样点阵结构对光固化工艺参数的确定有一定影响，但更为重要的是要基于陶瓷浆料的光固化属性，所以需要对采用的氧化硅陶瓷浆料的光固化特性进行光固化测试。依据测试结果确定光固化工艺参数如下：3D陶瓷打印机参数为激光波长405 nm、激光额定功率3 W、光斑直径35 µm、Z轴重复定位精度1 µm；3D打印工艺参数为单层固化深度200 µm、切片厚度50 µm、单层曝光时间2 s。

陶瓷型芯打印完成后，还需要进行脱脂和烧结工艺。本文采用的脱脂炉为JH-DB-500。脱脂工艺如下：先以5 ℃/min的升温速率升温至300 ℃，保温2 h；再以1 ℃/min的升温速率升温至600 ℃，保温2 h。采用的烧结炉为JH-ST-500，具体烧结工艺曲线见图14。

脱脂烧结完成后，制备得到的轻量化结构陶瓷型芯见图15，该型芯外形最大尺寸为64 mm×24 mm×102 mm，对制备的陶瓷型芯进行三维扫描，检测显示其尺寸精度达到±0.05 mm。根据HB5353.3—2004，按照型芯相同打印、脱脂、烧结工艺制备了6PCS尺寸为60 mm×10 mm×4 mm的试样，将试样装在试验专用夹具上，开动抗弯强度试验机，将试验载荷加在试样工作部位中部，以7 mm/min的速度加载，直至试样断裂。记录试样断裂时的载荷值，再按照3σ准则剔除粗大值，计算有效结果的算数平均值即可，最终测得试样烧结后常温抗弯强度为30.7 MPa。

对于大壁厚陶瓷型芯，则对型芯主体内部进行轻量化设计，结果如图16所示，引用了梯度设计方法，即随着陶瓷型芯曲面壁厚的由大变小，内部设计填充的轻量化单体的晶格尺寸也呈相应的变化趋势，如此有助于提高陶瓷型芯的整体密度均匀性，使得陶瓷素坯在脱脂烧结过程中具有更好的传热效果。对陶瓷型芯进行轻量化设计可显著改善光固化陶瓷试样在脱脂烧结过程中的热不均匀性，降低热惯性梯度，优化热传递效率，轻量化设计通过引入蜂窝/晶格结构降低有效密度 ，使热惯性下降40%~60%。此外，多孔结构还会促进脱脂过程中产生的气体疏散，从而避免因内部压力升高而形成裂纹。

4 结论

1）采用不同的单体进行轻量化设计，产生不同的减重效果和等效应力，通过比较相对等效应力发现，采用三角形蜂窝结构单体和六边形蜂窝结构单体时，光固化陶瓷型芯相对等效应力最小，分别为21.7 MPa和22.1 MPa，可取得相对较优的轻量化设计效果。

2）不同晶格尺寸对测试块等效应力具有较大影响。对于六边形蜂窝结构，随着晶格尺寸由4 mm递减至1 mm，等效应力逐渐降低至最小值16.81 MPa，而当晶格尺寸设定为0.5 mm时，等效应力出现波动。对于三角形蜂窝结构，随着晶格的逐渐细化，测试块等效应力呈现小范围波动现象，整体保持在16 MPa，当晶格尺寸为1.5 mm时，取得最小值15 MPa。

3） 单体填充方向对轻量化结构存在较大影响，在进行轻量化设计时，需要考虑单体填充方向与试样主要受力方向的协调配合。

5 展望

1）结合本文的研究成果，团队将建立动态载荷与热-力耦合仿真模型，结合高速冲击试验和热机械疲劳测试，评估轻量化结构在瞬态载荷下的能量吸收特性与长期可靠性。

2）将开展跨尺度集成优化设计，在确保宏观性能的同时，通过局部胞元柔性化调整进一步提高结构设计柔性与工艺鲁棒性。

3）研究轻量化结构-脱脂烧结工艺参数-残余应力/变形的映射关系，建立工艺-结构协同优化模型，实现良品率与性能的双重提高。

4）开展集成轻量化型芯的涡轮叶片铸造试验，量化考核其脱芯完整性、型面精度达标率及铸件合格率，推动轻量化结构设计的工程化应用。

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基金资助

江苏省自然科学基金青年项目(BK20230885)

航空发动机及燃气轮机重大专项基础研究项目（J2022-Ⅶ-006-0048）

工信部高质量发展专项

华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室开放基金(P2025-012)

上海航天科技创新基金