11月18日，中國工程院公布2021年新增院士，中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設(shè)計研究所項目總設(shè)計師、3D打印專家王向明成功當選。
在航空制造領(lǐng)域，王向明考慮如何實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計、確保使用安全，著重解決3D打印面臨的“會用、敢用”的問題。

王向明，工學博士、研究員、博士生導師。主持或參與多個型號機體結(jié)構(gòu)設(shè)計?，F(xiàn)任航空工業(yè)集團沈陽飛機設(shè)計研究所項目總設(shè)計師、“鶻鷹”飛機常務(wù)副總設(shè)計師、航空工業(yè)集團增材制造首席專家、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)國防原“973”技術(shù)首席、飛行器新概念結(jié)構(gòu)航空科技重點實驗室主任、遼寧省增材制造共性技術(shù)創(chuàng)新中心主任。某部先進制造技術(shù)專業(yè)組增材制造責任專家。

王向明是飛機機體平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)軍人物，長期從事結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與制造一體化研究。先后承擔原總裝、裝發(fā)部、軍科委、科技部、工信部、科工局主管的有關(guān)飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造研究項目20余項，在飛機新概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、增材制造應(yīng)用技術(shù)、新機快速試制等方面做出重要貢獻。先后獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎、二等獎，國防科技進步獎一等獎2項。授權(quán)發(fā)明專利32件，發(fā)表期刊論文53篇、出版專著5本、撰寫重要研究報告40余篇，大型學術(shù)會議特邀報告15次。

王向明在西安增材制造高峰論壇

2014 年，美國將增材制造列為重大顛覆性國防技術(shù)。早在2003年，沈陽飛機設(shè)計研究所與北京航空航天大學深度合作，共同開拓了飛機增材制造應(yīng)用技術(shù)。北京航空航天大學在控形、控性、裝備等方面已取得重大突破。作為關(guān)鍵技術(shù)的另一方面，設(shè)計、評定和驗證是使用安全的重要保障，也是美國聯(lián)邦航空局（FAA）確認的增材制造 4 個難點之一。沈陽飛機設(shè)計研究所建立融合增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、評價與驗證方法。

王向明借助在原總裝先進制造專業(yè)組擔任增材制造責任專家的機遇，規(guī)劃出基于增材制造的大型整體化、構(gòu)型拓撲化、梯度復合化和功能結(jié)構(gòu)一體化等飛機新概念結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，主導系統(tǒng)級技術(shù)開發(fā)與工程化驗證。

基于發(fā)明的增材熔合連接方法，王向明提出多種增材主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，即通過增材熔化沉積填充，一邊成形、一邊連接，將兩個構(gòu)件合并為一個整體，使構(gòu)件做得更大、更復雜。其中具體包括殘余應(yīng)力臨界值仿真預(yù)測、離散分區(qū)成形、去除殘余應(yīng)力、增材熔合連接，涵蓋創(chuàng)新設(shè)計、性能評定、工程驗證等。與焊接的區(qū)別是，突破厚度限制，力學性能與母材相當，近似“無痕”連接。研制出框-梁等多種整體主承力結(jié)構(gòu)，拓展法向復雜承載維度。

王向明提出基于增材制造的新概念機構(gòu)
針對熔合連接區(qū)疲勞特性評定，王向明提出當量應(yīng)力集中系數(shù)法。將熔合連接區(qū)內(nèi)部細觀缺陷打包，與母材宏觀應(yīng)力集中當量等效，利用名義應(yīng)力法確定當量應(yīng)力集中系數(shù)值和壽命算法，以此作為疲勞和工藝質(zhì)量評價判據(jù)。針對疲勞壽命安全，王向明建立工程化驗證專用模式，與傳統(tǒng)積木式驗證不同的是，力學性能考核與工藝過程循環(huán)迭代，這樣可及時暴露性能缺陷，加快改進，使增材制造主承力結(jié)構(gòu)件的壽命安全保障有了技術(shù)支撐，進而解決壽命安全風險控制難題。

拓撲結(jié)構(gòu)是公認的輕量化結(jié)構(gòu)，減重效率可近一半，具有極大應(yīng)用潛力，受到工程界的普遍關(guān)注。王向明認為，拓撲結(jié)構(gòu)屬靜定結(jié)構(gòu)范疇，任一分支失效都將導致總體破壞。壽命安全如何保障？為此，他提出按壽命設(shè)計和穩(wěn)定性設(shè)計所產(chǎn)生的強度裕度等效面積作為裂紋擴展容限區(qū)域，分不同情況建立拓撲結(jié)構(gòu)局域損傷容限設(shè)計準則。針對拓撲結(jié)構(gòu)機加難點，他還提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工藝方法，機加量減少70%，制造成本也得到降低。

上述研究解決了增材主承力結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計難題，成效顯著，零件數(shù)量減少2/3、結(jié)構(gòu)減重1/5、疲勞壽命增加1/3?！帮w機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎的殊榮，這一項目由沈陽飛機設(shè)計研究所負責設(shè)計驗證，北京航空航天大學負責制造。

早在2003年，王向明就與王華明教授開展密切合作，共同為飛機結(jié)構(gòu)件“量身定做”

王向明介紹，選區(qū)熔化增材制造技術(shù)可打印出內(nèi)部形狀復雜的輕質(zhì)功能件，但常規(guī)點陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點承載能力大都不滿足飛機功能結(jié)構(gòu)要求。為此，王向明將點陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點半徑作為設(shè)計變量，通過形狀優(yōu)化降低應(yīng)力集中和重量，由此建立多種拉壓承載型節(jié)點強拘束微桁架單胞。他提出節(jié)點剪切強度計算方法，發(fā)現(xiàn)敏感設(shè)計參數(shù)（微桿半徑），并據(jù)此建立有效設(shè)計手段；打印出散熱器、格柵等多種高效功能件，解決了增材高承載功能結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計難題。功效實現(xiàn)質(zhì)的飛越，功能效率提高一倍、減重近2/5、零件減少95%。

另外，據(jù)王向明介紹，飛機戰(zhàn)損/戰(zhàn)傷比為1∶20，結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷占近90%，若無法及時搶修即相當于戰(zhàn)損。對此，他提出了補強幾何應(yīng)力集中/填充復合應(yīng)力集中最小的修理設(shè)計方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修復流程與數(shù)據(jù)庫——設(shè)計、評定、制造、修復。主持完成了3類材料、9類構(gòu)件的地面靜態(tài)、搖擺動態(tài)環(huán)境下的工程驗證，為保持艦載機完好率提供技術(shù)途徑。

上述成果應(yīng)用于多個型號項目，單機用量達復合材料用量的1/7，含5種工藝、9種材料。開辟了增材構(gòu)件在飛機上工程化應(yīng)用先河，實現(xiàn)了質(zhì)的飛越，應(yīng)用進程保持領(lǐng)先，使我國成為唯一實現(xiàn)增材制造構(gòu)件在飛機上規(guī)?；瘧?yīng)用的國家。王向明領(lǐng)銜的“基于增材制造的飛機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與工程應(yīng)用”項目由此獲得了國防科技進步獎一等獎。

注：本文部分內(nèi)容引自科學中國人，已獲授權(quán)。

來源：3D打印技術(shù)參考

11月18日，中國工程院公布2021年新增院士，中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設(shè)計研究所項目總設(shè)計師、3D打印專家王向明成功當選。
在航空制造領(lǐng)域，王向明考慮如何實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計、確保使用安全，著重解決3D打印面臨的“會用、敢用”的問題。

王向明，工學博士、研究員、博士生導師。主持或參與多個型號機體結(jié)構(gòu)設(shè)計?，F(xiàn)任航空工業(yè)集團沈陽飛機設(shè)計研究所項目總設(shè)計師、“鶻鷹”飛機常務(wù)副總設(shè)計師、航空工業(yè)集團增材制造首席專家、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)國防原“973”技術(shù)首席、飛行器新概念結(jié)構(gòu)航空科技重點實驗室主任、遼寧省增材制造共性技術(shù)創(chuàng)新中心主任。某部先進制造技術(shù)專業(yè)組增材制造責任專家。

王向明是飛機機體平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)軍人物，長期從事結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與制造一體化研究。先后承擔原總裝、裝發(fā)部、軍科委、科技部、工信部、科工局主管的有關(guān)飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造研究項目20余項，在飛機新概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、增材制造應(yīng)用技術(shù)、新機快速試制等方面做出重要貢獻。先后獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎、二等獎，國防科技進步獎一等獎2項。授權(quán)發(fā)明專利32件，發(fā)表期刊論文53篇、出版專著5本、撰寫重要研究報告40余篇，大型學術(shù)會議特邀報告15次。

王向明在西安增材制造高峰論壇

2014 年，美國將增材制造列為重大顛覆性國防技術(shù)。早在2003年，沈陽飛機設(shè)計研究所與北京航空航天大學深度合作，共同開拓了飛機增材制造應(yīng)用技術(shù)。北京航空航天大學在控形、控性、裝備等方面已取得重大突破。作為關(guān)鍵技術(shù)的另一方面，設(shè)計、評定和驗證是使用安全的重要保障，也是美國聯(lián)邦航空局（FAA）確認的增材制造 4 個難點之一。沈陽飛機設(shè)計研究所建立融合增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、評價與驗證方法。

王向明借助在原總裝先進制造專業(yè)組擔任增材制造責任專家的機遇，規(guī)劃出基于增材制造的大型整體化、構(gòu)型拓撲化、梯度復合化和功能結(jié)構(gòu)一體化等飛機新概念結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，主導系統(tǒng)級技術(shù)開發(fā)與工程化驗證。

基于發(fā)明的增材熔合連接方法，王向明提出多種增材主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，即通過增材熔化沉積填充，一邊成形、一邊連接，將兩個構(gòu)件合并為一個整體，使構(gòu)件做得更大、更復雜。其中具體包括殘余應(yīng)力臨界值仿真預(yù)測、離散分區(qū)成形、去除殘余應(yīng)力、增材熔合連接，涵蓋創(chuàng)新設(shè)計、性能評定、工程驗證等。與焊接的區(qū)別是，突破厚度限制，力學性能與母材相當，近似“無痕”連接。研制出框-梁等多種整體主承力結(jié)構(gòu)，拓展法向復雜承載維度。

王向明提出基于增材制造的新概念機構(gòu)
針對熔合連接區(qū)疲勞特性評定，王向明提出當量應(yīng)力集中系數(shù)法。將熔合連接區(qū)內(nèi)部細觀缺陷打包，與母材宏觀應(yīng)力集中當量等效，利用名義應(yīng)力法確定當量應(yīng)力集中系數(shù)值和壽命算法，以此作為疲勞和工藝質(zhì)量評價判據(jù)。針對疲勞壽命安全，王向明建立工程化驗證專用模式，與傳統(tǒng)積木式驗證不同的是，力學性能考核與工藝過程循環(huán)迭代，這樣可及時暴露性能缺陷，加快改進，使增材制造主承力結(jié)構(gòu)件的壽命安全保障有了技術(shù)支撐，進而解決壽命安全風險控制難題。

拓撲結(jié)構(gòu)是公認的輕量化結(jié)構(gòu)，減重效率可近一半，具有極大應(yīng)用潛力，受到工程界的普遍關(guān)注。王向明認為，拓撲結(jié)構(gòu)屬靜定結(jié)構(gòu)范疇，任一分支失效都將導致總體破壞。壽命安全如何保障？為此，他提出按壽命設(shè)計和穩(wěn)定性設(shè)計所產(chǎn)生的強度裕度等效面積作為裂紋擴展容限區(qū)域，分不同情況建立拓撲結(jié)構(gòu)局域損傷容限設(shè)計準則。針對拓撲結(jié)構(gòu)機加難點，他還提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工藝方法，機加量減少70%，制造成本也得到降低。

上述研究解決了增材主承力結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計難題，成效顯著，零件數(shù)量減少2/3、結(jié)構(gòu)減重1/5、疲勞壽命增加1/3?！帮w機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎的殊榮，這一項目由沈陽飛機設(shè)計研究所負責設(shè)計驗證，北京航空航天大學負責制造。

早在2003年，王向明就與王華明教授開展密切合作，共同為飛機結(jié)構(gòu)件“量身定做”

王向明介紹，選區(qū)熔化增材制造技術(shù)可打印出內(nèi)部形狀復雜的輕質(zhì)功能件，但常規(guī)點陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點承載能力大都不滿足飛機功能結(jié)構(gòu)要求。為此，王向明將點陣結(jié)構(gòu)的節(jié)點半徑作為設(shè)計變量，通過形狀優(yōu)化降低應(yīng)力集中和重量，由此建立多種拉壓承載型節(jié)點強拘束微桁架單胞。他提出節(jié)點剪切強度計算方法，發(fā)現(xiàn)敏感設(shè)計參數(shù)（微桿半徑），并據(jù)此建立有效設(shè)計手段；打印出散熱器、格柵等多種高效功能件，解決了增材高承載功能結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計難題。功效實現(xiàn)質(zhì)的飛越，功能效率提高一倍、減重近2/5、零件減少95%。

另外，據(jù)王向明介紹，飛機戰(zhàn)損/戰(zhàn)傷比為1∶20，結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷占近90%，若無法及時搶修即相當于戰(zhàn)損。對此，他提出了補強幾何應(yīng)力集中/填充復合應(yīng)力集中最小的修理設(shè)計方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修復流程與數(shù)據(jù)庫——設(shè)計、評定、制造、修復。主持完成了3類材料、9類構(gòu)件的地面靜態(tài)、搖擺動態(tài)環(huán)境下的工程驗證，為保持艦載機完好率提供技術(shù)途徑。

上述成果應(yīng)用于多個型號項目，單機用量達復合材料用量的1/7，含5種工藝、9種材料。開辟了增材構(gòu)件在飛機上工程化應(yīng)用先河，實現(xiàn)了質(zhì)的飛越，應(yīng)用進程保持領(lǐng)先，使我國成為唯一實現(xiàn)增材制造構(gòu)件在飛機上規(guī)?；瘧?yīng)用的國家。王向明領(lǐng)銜的“基于增材制造的飛機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與工程應(yīng)用”項目由此獲得了國防科技進步獎一等獎。

注：本文部分內(nèi)容引自科學中國人，已獲授權(quán)。

來源：3D打印技術(shù)參考