摘要：本文围绕机械设计自动化技术在新型飞行器结构轻量化设计与制造中的运用展开深入探究。剖析飞行器轻量化需求及意义，阐述机械设计自动化技术助力该目标实现的优势；从材料选择、结构优化设计、制造工艺革新等维度详述关键技术要点，探讨自动化技术融合下设计与制造流程管控策略；旨在提升飞行器性能、降低成本、契合环保节能理念，推动航空航天产业迈向新阶段。

关键词：机械设计自动化技术；新型飞行器；轻量化设计

引言：

在航空航天领域，飞行器性能提升与能耗、成本控制始终是核心追求。随着飞行任务日趋多元复杂，对飞行器载重、航程、机动性等指标要求愈发严苛。结构轻量化成为突破瓶颈关键路径，能有效削减自重、增加有效载荷、降低燃油消耗，契合绿色航空发展潮流。机械设计自动化技术蓬勃兴起，为飞行器结构轻量化提供前所未有的技术支撑与创新契机，深度融合二者，解锁先进设计制造方法意义重大。

一、飞行器结构轻量化需求及意义

1.1性能提升需求

飞行器自重与飞行性能呈负相关，减轻结构重量可直接降低起飞重量，减少动力需求，提升飞行速度、航程及升限；利于增强机动性，在空战、紧急避险场景迅速响应、灵活转向；还能改善加速、爬升性能，契合军事、民用航空多元任务需求。

1.2能耗与成本控制

飞行能耗大半用于克服自重，轻量化使燃油消耗锐减，运营成本大幅降低；材料用量削减、制造流程简化降低材料采购、加工成本；维护成本因结构轻便、故障风险降低同步减少，经济效益显著。

1.3环保节能考量

航空运输碳排放备受瞩目，轻量化助力减少燃油燃烧，降低温室气体排放；且利于飞机退役后材料回收处理，践行循环经济理念，契合全球环保愿景。

二、机械设计自动化技术助力飞行器轻量化优势

2.1高效精准设计

传统手工绘图设计效率低、易出错，自动化设计软件集成海量算法、数据库，能快速模拟飞行器受力、气流干扰等复杂工况；精准优化结构参数，经反复迭代确定最佳方案，保障设计科学性，缩短研发周期。

2.2智能结构优化

凭借人工智能、机器学习算法挖掘结构潜在优化空间。分析海量结构数据，识别薄弱、冗余环节，智能生成优化策略；动态调整设计参数，适应飞行器多变服役环境，实现结构性能最大化。

2.3协同制造赋能

自动化技术打通设计、制造环节数据壁垒，设计模型无缝导入制造设备；实现制造过程实时监控、调整，遇故障智能预警、快速修复；促进多工艺协同，如增材制造与切削加工联动，提升制造效率与质量。

三、新型飞行器结构轻量化设计关键技术

3.1先进轻量化材料筛选

首先，高性能复合材料：碳纤维增强复合材料强度高、密度低，比强度远超传统金属，耐疲劳、腐蚀，广泛用于机翼、机身主承力结构；混杂纤维复合材料融合多种纤维优势，调控性能，适配复杂工况。其次，轻质金属合金：铝锂合金在铝合金基础上降密度、增刚度；镁合金密度更低，减震、电磁屏蔽性能好，经合金化、热处理优化，用于非主承力部件减重。

3.2拓扑优化设计方法

以结构力学理论为基，设定载荷、约束条件，运用拓扑优化算法重塑结构布局。去除冗余材料，形成传力高效“桁架”“框架”式新结构；拓展多工况、多学科拓扑优化，兼顾气动力、热环境与结构力学，实现全局最优。

3.3尺寸优化与形状优化联动

尺寸优化微调构件厚度、直径等参数，结合形状优化改变结构轮廓，协同增效。如机翼前缘修形并调整翼梁尺寸，在满足强度前提下减阻、减重；迭代运算确保优化结果收敛，适配飞行器整体设计要求。

四、新型飞行器结构轻量化制造关键技术

4.1增材制造技术革新

首先，激光选区熔化：高精度熔化金属粉末逐层堆积，制造复杂内腔、薄壁结构，无需模具，缩短周期；优化工艺参数，严控孔隙率、残余应力，提升零件力学性能。其次，电子束熔化：能量集中，熔化效率高，适用于难熔金属、大型复杂件；结合实时监控系统，保障熔化质量，降低热变形，拓展在飞行器发动机等关键部件应用。

4.2精密数控加工适配

针对轻量化结构高精度要求，升级数控加工设备。采用高速切削、多轴联动，减少加工工序、切削力；优化刀具路径，避开薄弱部位，防止加工损伤；结合自动化检测反馈，实时纠偏，保证加工精度。

4.3连接工艺创新

首先，搅拌摩擦焊接：固态焊接法，无熔化焊气孔、裂纹缺陷，焊接铝合金、镁合金结构强度高、变形小；开发搅拌头自适应技术，应对复杂焊缝，提升焊接效率与质量。其次，激光焊接：能量密度高、热影响区窄，用于异种材料、薄板连接；优化激光参数、光斑模式，联合自动化夹具，实现精准、高强度连接。

五、基于机械设计自动化技术的设计与制造流程管控

5.1数字化设计流程集成

构建统一数字化平台，集成 CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）软件。设计团队实时共享、协同修改方案；CAE 模拟验证贯穿全程，快速反馈设计缺陷；CAM 提前规划制造工艺，保障设计制造无缝衔接。

5.2制造过程自动化监控

利用传感器网络实时采集设备运行、零件加工数据，如温度、应力、尺寸精度；经数据分析判断制造状态，异常时自动调整工艺参数或停机预警；建立质量追溯系统，溯源问题零部件，精准改进。

5.3迭代优化循环机制

收集飞行器服役反馈数据，结合设计制造经验，定期复盘设计、制造流程；以问题为导向启动新一轮优化迭代，更新材料库、算法库；持续提升轻量化设计制造技术水平，满足飞行器性能升级需求。

结论：

机械设计自动化技术赋能新型飞行器结构轻量化设计与制造，从选材、设计到制造各环节革新关键技术，贯穿流程高效管控，成效斐然。但技术革新永无止境，未来需攻克材料性能瓶颈、优化复杂结构增材制造工艺、深化人工智能融合；携手航空航天产业链各方，拓展应用广度深度，助力飞行器性能飞跃，推动航空航天事业蓬勃发展，于浩瀚蓝天勾勒壮丽科技蓝图。

参考文献：

[1]熊俊. 机械设计制造及其自动化技术在智能制造领域的应用研究[J]. 玩具世界， 2024， （03）： 71-73.

[2]陈华信， 贲绍华. 机械设计制造及其自动化在智能制造领域的应用[J]. 上海包装， 2024， （02）： 27-29.