转矩连杆是飞机前起落架的组成部分。它可以防止活塞在减震器的气缸内转动，使其在着陆和起飞过程中上下运动。因此，其结构完整性和寿命对飞机的安全运行至关重要，但由于其复杂的几何形状和多变的载荷条件，其疲劳寿命的估计是一个真正的挑战。本文采用基于改进有限元法的数值计算方法，对两种不同设计的轻型飞机转矩连杆的疲劳寿命进行了计算。首先，在实际载荷条件下，评估了受损转矩连杆的疲劳寿命。对拓扑优化得到的改进转矩连杆进行了分析，并计算了其疲劳寿命。最后，对优化后的转矩连杆进行增材制造过程的数值模拟，并对增材制造后的转矩连杆进行疲劳寿命估算，包括增材制造产生的残余应力。对所有转矩连杆情况下得到的循环数进行了比较和讨论。这是一种基于裂纹扩展和增材制造过程数值模拟的优化3D打印零件疲劳寿命评估的先进方法。
本文采用三种不同过程的数值模拟方法估算了飞机重要部件-扭矩连杆的疲劳寿命。该部件被设计为“损伤安全”，因此，在存在裂纹的情况下，其疲劳寿命从未进行过测试。然而，根据[38]的数据，2020年初，全球通用航空的平均机龄约为30年，40岁以上的飞机数量相当可观。如果维护得当，它们的使用寿命不会影响其适航性，但维护需要更换达到其设计寿命的零件和组件，无论它们是否损坏。但是，如果目前没有可用的备件，并且部件上有一些疲劳损伤，那么在等待备件的过程中，估计其剩余寿命以及可以安全使用多长时间是很重要的。
另一方面，大量仍在使用的飞机不再生产，这就提出了备件可用性的问题，以及如何克服这一问题。金属增材制造可能是一个有效的解决方案，因为它是一种非常快速的生产方法。对于小批量的产品来说，这也是最划算的方法之一。它也是高度可持续的，因为不用于制造产品的粉末状材料可以在其他项目中重复使用(考虑到航空业的所有要求)。但是，如果组件的某些部分没有承受很多外部负载，则可以重新设计该组件以节省材料并进一步降低成本。
所有这些问题都在本文项目的工作中得到了考虑，并决定使用数值模拟进行裂纹扩展预测、原始零件的拓扑优化和增材制造，重点是激光打印过程中的残余应力和分析它们对增材制造部件疲劳寿命的影响。
根据本文的研究结果，可以得出以下结论:•对扭矩连杆上部裂纹萌生的潜在位置进行了数值评估，确认了疲劳损伤发生的最关键区域是在车间目视检查中实际发现裂纹的区域。因此，车间的工作人员在目视检查该组件时应特别注意该区域。
•数值模拟的裂纹扩展路径与实部观察到的路径非常相似，证实了所提出的有限元模型和S.M.A.R.T.的有效性由于优化后的最大应力与原零件的应力略有差异(约1.75%)，因此成功地对扭矩连杆上部进行了拓扑优化。然而，原始零件的循环次数(疲劳寿命)与优化后的零件有显著差异。疲劳寿命减少了18%左右，这是预期的，因为优化后的零件质量减少了近45%。
•增材制造过程的数值模拟显示，优化后的打印部件存在显著的残余应力。这些应力也导致了疲劳寿命的缩短。同时发现，AM中DT的减小会导致残余应力的减小，并且在DT = 1 s时疲劳寿命达到最大值。
•将损伤的原始零件的估计疲劳寿命(86,087次循环)与使用增材制造获得的损伤优化零件的估计疲劳寿命(47,816次循环)进行比较，可以明显看出增材制造零件的疲劳寿命明显降低。然而，人们必须考虑到，在这种情况下，50,000个周期意味着大约25次起飞和降落在草地跑道上，这些跑道可能全年都有粗糙的斑点和多变的着陆表面条件。
这里展示的起飞次数是工程师的估计，是基于起飞运行的长度。在这种情况下，车轮转一圈算作一个循环。因此，预计在起飞和降落过程中大约需要1000个转弯(当然，这个数字可能会更大或更小，这取决于飞行员的经验)。在草坪上滑行时，前起落架上的载荷比在混凝土跑道上滑行时要高。在所有的计算中都使用了840牛的载荷，这是一个高估，因为这是着陆冲击时扭矩链上的最大载荷。在这种情况下，25次起飞和降落是一个被低估的数字，但应作为在更换损坏的扭矩连杆之前允许使用的最大次数。这是裂纹扩展到4mm时的数值。让我们不要
忘记本研究中使用的扭矩连杆是在检测到5mm的裂纹后更换的，并且在此之前飞机正在飞行中，未检测到较短的裂纹。这并不是唯一的情况:在[9]中，有报道称，裂纹几乎已经达到临界长度，但裂缝没有被发现，也没有达到设计使用寿命。在这种情况下，25次飞行和50次飞行之间的差别并不大，因为一旦发现损坏，就必须用备用部件更换该部件。因此，在实际情况下，4 ~ 5个航班的扭矩连杆损坏(裂纹小于5mm时)是允许的最大值。显然，从裂纹发生时的疲劳寿命来看，优化后的增材制造金属部件是满足要求的。
•最近在商用航空中发生的一些事件[39]表明，在使用过程中，本应抗疲劳(就损坏发生而言)的部件可能会发生非常意外的损坏。因此，这种数值研究是完全合理的，可以应用于许多类似的零件，或其他结构的元件在汽车工业，船舶工业等。使用不断改进的增材制造程序可以节省大量的金钱和时间，并可以为零件优化提供更简单的方法。
•所提出的研究成果要被航空当局接受，还有很长的路要走。需要对优化后的上扭矩连杆进行实验验证，但“千里之行，始于足下”。在这项研究中，我们指出了旅程的可能方向，我们相信这是一个很好的方向。
•此外，还需要进行额外的测试和数值模拟，以确定优化的扭矩链接的疲劳寿命，因为增材制造生产的部件通常比传统工艺生产的部件具有更高的粗糙度、缺陷和残余应力，这可能导致更快的裂纹萌生。
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