CN109210001B - 一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其基于包括空心扭转叶片的扭转成形、热成形和超塑成形全工艺过程的三维有限元分析模型，通过计算得到多载荷的多目标函数，获得最佳的包括几何参数和工艺参数的成形参数，最终获得了具有最佳组织状态和内部筋条几何参数的空心扭转叶片。该设计方法大大缩短新产品的研制周期，并提高设计和制造精度，提高了效率和产品质量，不仅可以用于制造空心扭转叶片，也可以用于各种钛合金、铝合金、高温合金复杂形状和复杂工艺结构件的设计和制造，经济和技术效益显著。

Description

一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法

技术领域

本发明涉及一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法，属于金属塑性加工技术领域。

背景技术

钛合金空心扭转叶片是高推重比发动机的关键和核心部件之一，其设计和制造水平将直接决定整个发动机的整体性能，国内外针对其开展了大量的研究工作。目前，国外服役的最常用的空心扭转风扇叶片有两种类型的产品，一个是钛合金超塑成形/扩散连接的空心扭转叶片，一类是树脂基复合材料的空心扭转风扇叶片。

钛合金空心扭转叶片的制造工艺过程大致分为以下几个步骤：原始坯料数控加工、面板与芯板涂覆止焊剂、面板与芯板叠层后封焊、放入模具加热进行扭转成形、放入模具加热进行热成形或热校形、放入模具加热进行超塑成形、外形打磨和抛光至最终外形、表面强化。为了获得最佳的使用性能，需要基于有限元分析模型，对钛合金空心扭转叶片的成形工艺、筋条的几何参数进行优化设计。

国内外针对钛合金超塑成形工艺、几何工艺的优化开展了很多研究工作，但现有空心扭转叶片设计过程存在一些不足，主要表现在：

（1）受计算能力及有限元模型的限制，一般是对二维有限元模型进行分析，针对三维有限元模型的计算较少，仿真过程不能真实反映空心扭转叶片成形过程；

（2）对空心扭转叶片的计算基于外形精度控制，分析成形过程的贴模情况，而未对成形后的组织状态，及其对静态、动态力学性能进行综合分析，不能分析组织状态、内部筋条结构对零件的抗冲击、疲劳性能的影响规律，也就不能获得最佳的综合性能；

（3）已有的设计方法只是对空心扭转叶片的某一个成形过程进行分析，实际上可能，在一个工艺过程中获得的几何参数、工艺参数，在下一个工艺过程中会成为不利的因素，而没有对全工艺过程以及使用性能进行仿真分析，不能从而全局对结构件的综合性能进行优化；

（4）受计算能力和分析模型的限制，对成形工艺过程的计算和分析，一般是基于单一目标进行优化，而不是基于外形尺寸、不同的使用性能，基于多目标进行优化设计，因此，设计和制造的结构件不能兼顾不同的使用性能，从而使不同的性能有一个最佳的匹配；

（5）一般是针对单层结构的超塑成形进行了计算分析，针对钛合金空心扭转叶片的成形工艺过程进行优化计算和分析的较少，一般有限元分析模型是基于二维模型，这对于具有曲面外形的空心扭转叶片来说，并不能真实反映其成形过程，从而对成形过程进行优化计算，获得最佳的使用性能。

赵冰等首次采用三维有限元分析模型，对钛合金空心扭转叶片的扭转、热成形、超塑成形工艺过程进行了分析，分析了成形温度、扭转速度、热成形下压速度、超塑成形目标应变速率对成形力和成形过程的影响规律，并对不同的影响因素进行了对比分析，为结构优化设计提供了很好的参考。但是，并未基于多载荷多目标函数对成形过程的工艺参数、内部结构的几何参数，对成形过程进行全局优化设计，也未考虑服役性能，并基于使用性能对成形工艺参数、几何参数进行优化设计。

由于空心扭转叶片具有复杂的外形和内部空腔，其工艺过程有多个工步组成，如何选择合适厚度的原始坯料，然后经过扭转成形、热成形、超塑成形过程，通过控制成形工艺参数，获得具有精确外形、最佳性能的控形叶片，实现对控形叶片制造过程的控形和控性，需要对成形的原始坯料和成形工艺进行自适应优化，才能获得理想的组织性能、外形精度。因此，如何实现空心叶片全工艺过程的优化设计，提高设计和制造精度，从而缩短新产品的研制周期，提高了效率和产品质量具有重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，实现空心扭转风扇叶片的全工艺过程的优化设计，本发明提供了一种超塑成形空心扭转风扇叶片的设计方法，其利用有限元分析软件中的命令流文件，采用参数化建模的方式，建立了三维有限元分析模型，其中设计参数包括：几何参数（包括原始坯料外形尺寸）、工艺参数（包括温度、扭转速度、模具下压速度、超塑成形应变速率等）、晶粒尺寸等，通过主程序调用命令流文件中的各项参数，并基于多目标函数，在主程序中采用优化算法函数，获得最佳的几何参数、工艺参数域，在该域内，空心叶片具有最佳的外形精度和力学性能。

这种采用参数化三维有限元分析模型，通过优化程序对多目标函数进行优化，从而获得最佳的几何参数、工艺参数，在此参数条件下制造的空心叶片具有精确的外形、优良的力学性能，实现对成形零件的控形和控性，同时减少原材料用量、减少后续加工量，并使结构件具有优良的综合力学性能。

该方法基于材料性能和成形工艺数据库，实现了对空心叶片的全工艺过程的优化设计，采用大型高性能计算机对整个过程进行计算仿真，可以大大缩短新产品的研制周期，并提高设计和制造精度，提高了效率和产品质量，不仅可以用于制造空心扭转叶片，也可以用于各种钛合金、铝合金、高温合金复杂形状和复杂工艺结构件的设计和制造，经济和技术效益显著。

为了实现本发明，其采用了如下技术方案：

一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）建立三维有限元分析模型，其中三维有限元分析模型中包括空心扭转叶片的扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程；

（2）编写第一命令流文件，第一命令流文件中包含扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程的成形参数；

（3）编写主程序，主程序调用第一命令流文件，通过第一命令流文件建立具有一定成形参数的三维有限元分析模型，启动三维有限元分析模型进行计算，计算成形工艺过程，包括扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程，得到计算结果；

（4）主程序控制第一命令流文件从计算结果中提取扭转成形、热成形和超塑成形后的单元几何信息、单元应力、单元应变信息，判断畸变单元和节点，确定畸变单元和节点，修改原始坯料上对应的单元和节点，重新生成新的三维有限元分析模型；

（5）主程序再次调用重新生成的新的三维有限元分析模型，重复步骤（3）和步骤（4），直至计算的扭转成形、热成形和超塑成形后的应力、应变的畸变小于设计误差，这样就确定了优化的原始坯料的尺寸，得到了优化了原始坯料尺寸的三维有限元分析模型;

（6）主程序重新调用优化了原始坯料尺寸的三维有限元分析模型，以包括几何参数和工艺参数的成形参数为参数，对成形工艺过程进行计算，得到计算结果，第二命令流文件提取计算结果中的几何尺寸和材料组织状态信息，然后根据材料组织状态信息计算出成形后空心扭转叶片材料在使用状态下的的力学性能，或者是在使用状态下的力学本构关系；

（7）根据步骤（6）的计算结果，主程序中生成第三命令流文件，在第三命令流文件中，通过调用步骤（6）的包括几何尺寸和材料组织状态的计算结果，按照有限元建模的流程，生成用于计算成形后空心扭转叶片的静态性能的三维有限元计算模型、冲击性能的三维有限元计算模型和疲劳性能的三维有限元计算模型中的一个或多个，三维有限元计算模型中的材料本构关系是步骤（6）中确定的在使用状态下的的力学性能，或者是在使用状态下的力学本构关系；对三维有限元计算模型分别进行计算，并通过第三命令流文件将三维有限元计算模型中的计算结果生成并写入到一个文本数据文件中，在主程序中读取计算结果文本数据文件，利用其计算结果生成一个多载荷的多目标函数；

（8）主程序调用优化计算程序包，其中优化计算程序包中的目标函数是步骤（7）中生成的多载荷的多目标函数，对基于包括几何参数和工艺参数的成形参数进行优化计算，判断多载荷的多目标函数值是否为极值，多载荷的多目标函数值不是极值时，计算获得下一个参数点，重复步骤（6）和步骤（7），直至得到的多载荷的多目标函数值为极值，从而获得最佳的包括几何参数和工艺参数的成形参数，最终获得了具有最佳组织状态和内部筋条几何参数的空心扭转叶片。

其中，步骤（2）中所述成形参数包括几何参数和工艺参数，几何参数为原始坯料外形尺寸，工艺参数包括温度、扭转速度、模具下压速度和超塑成形应变速率。

其中，步骤（3）中所述成形参数包括几何参数和工艺参数，几何参数为原始坯料外形尺寸，工艺参数为一定值。

其中，所述步骤（4）的具体操作如下：主程序控制第一命令流文件从计算结果中提取扭转成形、热成形、超塑成形后的单元几何信息、单元应力、单元应变信息，并通过有限元分析软件的子程序计算应力、应变过大的单元，并确定单元编号、单元节点编号，采用主程序生成一个新的第一命令流文件，将需要修改的单元和节点写入到第一命令流文件中，并在该命令流文件中对超过公差的单元及其节点进行控制，通过移动原始坯料三维有限元分析模型中对应单元和节点，其中移动的距离根据单元应力、单元应变的畸变程度计算获得，重新生成新的三维有限元分析模型。

其中，步骤（6）中所述几何参数包括面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形，工艺参数包括温度、时间和变形速度。

其中，步骤（6）中所述组织状态信息主要是晶粒尺寸参数。

其中，步骤（6）中所述力学性能主要包括极限拉伸强度和屈服强度。

其中，步骤（7）中所述静态性能包括结构刚度和强度，冲击性能包括鸟撞试验性能，疲劳性能包括振动疲劳性能。

其中，步骤（7）中所述静态性能包括均布载荷条件下的受力性能，所述多载荷包括静态载荷和动态载荷。

其中，步骤（8）中所述几何参数包括面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形；所述内部筋条几何参数与筋条位置、筋条止焊剂外形和位置尺寸参数相对应。

基于空心扭转叶片参数化三维有限元模型的全工艺过程优化设计，一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法，可通过以下具体步骤实现：

（1）建立三维有限元分析模型，其中三维有限元分析模型中包括空心扭转叶片的扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程；

（2）编写第一命令流文件，其中该命令流文件中包含扭转成形、热成形、超塑成形工艺过程的几何参数和工艺参数（可根据建立三维有限元分析模型的过程，编写命令流文件）；

（3）编写主程序，主程序调用第一命令流文件，通过第一命令流文件建立具有一定几何参数、工艺参数的三维有限元分析模型，启动有限元模型进行计算，计算成形过程包括扭转成形、热成形、超塑成形三个阶段；

（4）主程序控制第一命令流文件提取扭转成形、热成形、超塑成形后的单元几何信息、单元应力、应变信息，并通过有限元分析软件的子程序计算应力、应变过大的单元，并确定单元编号、单元节点编号，采用主程序生成一个新的第一命令流文件，将需要修改的单元和节点写入到该命令流文件中，并在该命令流文件中对超过公差的单元及其节点进行控制，通过移动原始坯料的三维有限元分析模型中对应单元和节点，其中移动的距离根据单元应力、应变的畸变程度计算获得，重新生成新的三维有限元分析模型，用于计算成形过程（判断畸变的准则可以采用有限元中计算软件中自带的，也可以是自己编写的程序）；

（5）主程序重新调用修改后的全工艺过程的三维有限元分析模型，三维有限元分析模型包含扭转成形、热成形、超塑成形工艺过程，重复步骤（3）和（4），直至计算的成形后的应力、应变的畸变小于设计误差，这样就确定了优化的原始坯料的尺寸，得到了优化了原始坯料尺寸的三维有限元分析模型（这一步骤的计算是为了初步确定原始坯料最佳的外形尺寸，用于下面的全工艺过程的优化计算）；

（6）主程序重新调用经过优化了原始坯料尺寸的三维有限元分析模型，以面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形、工艺参数（包括温度、时间和变形速度）等为参数，对成形工艺过程进行计算，第二命令流文件提取计算结果中的几何信息（如几何尺寸）和材料组织状态信息，然后根据材料组织状态信息计算出成形后叶片材料在使用状态下的的力学性能（主要包括极限拉伸强度、屈服强度等），或者是在使用状态下的力学本构关系；

（7）根据步骤（6）的计算结果，主程序中生成第三命令流文件，该命令流文件用于重新生成用于计算成形后叶片的静态性能的三维有限元计算模型、冲击性能的三维有限元计算模型和疲劳性能的三维有限元计算模型中的一个或多个，其中静态性能包括均布载荷条件下的受力分析、结构刚度和结构强度，冲击性能包括抗鸟撞性能，疲劳性能包括振动疲劳性能，并对一个或多个模型分别进行计算，并通过命令流文件将三维有限元计算模型中的计算结果生成一个文本数据文件，在主程序中可以读取结果文本数据文件，并利用其计算结果生成一个多载荷（静态载荷、动态载荷）的多目标函数；

（8）调用优化计算程序包，根据多载荷的多目标函数，对基于几何参数（芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形）、工艺参数进行优化计算，判断多载荷的多目标函数值是否为极值，多载荷的多目标函数值不是极值时，计算获得下一个参数点，重复步骤（6）和步骤（7），直至得到的多载荷的多目标函数值为极值，从而获得最佳的几何参数（包括面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形）、成形工艺参数，最终获得了具有最佳组织状态、内部筋条几何参数（与筋条位置止焊剂外形和位置尺寸参数相对应）的空心叶片。

本发明的技术效果如下：

（1）采用三维有限元模型，设计了一个多目标函数，包含结构件的各种力学性能指标，而这些目标函数是原始坯料的几何尺寸、筋条位置止焊剂外形和位置参数、成形过程工艺参数等的函数，通过对目标函数进行优化，从而获得最佳的原始坯料几何参数、筋条位置止焊剂外形和位置参数、工艺参数，在较佳的工艺参数条件下，可以使用最接近于最终形状的原始坯料，经过成形工艺过程，组织得到良好的控制，并精确成形出具有特定外形和内部筋条的空心叶片结构件，经过对该结构件多种力学性能测试，该结构件还具有最佳的综合力学性能匹配。

（2）基于三维有限元分析模型的参数化建模对空心扭转叶片全工艺过程进行优化，在优化设计过程中，考虑和分析了各种几何参数、工艺参数对最终外形、力学性能的影响规律，获得最佳的工艺参数和几何参数，在此条件下制备的零件具有最佳的综合性能和精确的外形尺寸。

（3）采用三维有限元模型对整个成形工艺过程进行优化设计和分析，包括扭转成形、热成形、超塑成形，获得最佳的工艺参数、几何参数，在此工艺参数条件下，钛合金预制坯经过变形后，具有最佳的组织状态和力学性能，在此几何参数条件下，原始坯料经过变形工艺过程后，与最终零件的外形尺寸最接近，不会在局部产生过大的变形量和变形应力。

（4）将空心叶片的成形过程和成形后的结构性能分析结合起来进行优化设计和分析，对超塑成形工艺过程的筋条位置、宽度等几何参数进行设计，从而获得最佳的静态（弯曲、剪切、压缩等力学性能）、动态（疲劳、抗冲击）力学性能，具有最佳的综合性能。

（5）对成形工艺过程的计算和分析，基于多目标进行优化设计，基于外形尺寸、不同的使用性能，因此，设计和制造的结构件能够兼顾不同的使用性能，从而使不同的性能有一个最佳的匹配。

附图说明

图1三维有限元分析模型；

图2扭转成形工艺过程计算；

图3热成形工艺过程计算；

图4超塑成形工艺过程计算；

图5空心扭转叶片设计方法的流程图。

具体实施方式

本发明利用有限元分析软件中的命令流文件，采用参数化建模的方式，建立了三维有限元分析模型，其中设计参数包括：几何参数（原始坯料外形尺寸）、工艺参数（温度、扭转速度、模具下压速度、超塑成形应变速率等）、晶粒尺寸等，通过主程序调用命令流文件中的各项参数，并基于多目标函数，在主程序中采用优化算法函数，获得最佳的几何参数、工艺参数域，在该域内，空心叶片具有最佳的外形精度和力学性能。这种采用参数化三维有限元分析模型，通过优化程序对多目标函数进行优化，从而获得最佳的几何参数、工艺参数，在此参数条件下制造的空心叶片具有精确的外形、优良的力学性能，该方法基于材料性能和成形工艺数据库，实现了对空心叶片的全工艺过程的优化设计。

为了便于理解本发明，现给出本发明设计方法的大致思路：（1）初步确定原始坯料最佳的外形尺寸，用于下面的全工艺过程的优化计算；（2）全工艺过程的优化计算。首先建立一个空心扭转叶片的塑性成形的三维有限元分析模型，其中分析模型中包括空心扭转叶片的扭转成形、热成形、超塑成形工艺过程，采用有限元分析软件中的命令流文件，对有限元模型进行参数化建模。编写一个主程序，在主程序中可以调用命令流文件，可以对命令流文件中包含的三维有限元模型中的几何参数、工艺参数进行修改。当主程序调用一个参数下的有限元模型，对空心扭转叶片的成形过程进行计算，计算后空心扭转叶片的几何信息、组织和性能信息通过命令流文件被导入到新的三维有限元分析模型中，建立新的三维有限元分析模型；主程序重新调用修改后的三维有限元分析模型，对下一个参数下的三维有限元分析模型进行计算，直至计算的成形后的应力、应变的畸变小于设计误差，这样就确定了优化的原始坯料的尺寸，得到了优化了原始坯料尺寸的三维有限元分析模型；主程序重新调用经过优化了原始坯料尺寸的三维有限元分析模型，进行全工艺过程的优化计算，以几何参数和工艺参数为参数，对成形工艺过程进行计算，提取计算后的几何信息和组织状态信息，对成形后的空心扭转叶片进行静载性能、冲击性能、疲劳性能分析，计算结果通过命令流文件中的命令提取出来，生成一个文本型数据文件，可以在主程序中被读取。在主程序中可以调用一个或多个有限元模型的计算结果，可以是静态性能、冲击性能、疲劳性能，在主程序中，为了获得最佳的综合力学性能，需要对静载性能、冲击性能、疲劳性能有一个平衡和匹配，设计一个目标函数，包含结构件的各种力学性能指标，而这些目标函数是原始坯料的几何尺寸、筋条位置止焊剂外形和位置参数、成形过程工艺参数等的函数，通过调用已有软件中的优化程序包，或者是编写的优化程序，对目标函数进行优化，从而获得最佳的原始坯料几何参数、筋条位置、止焊剂外形等参数和工艺参数，在较佳的工艺参数条件下，可以使用最接近于最终形状的原始坯料，经过成形工艺过程，组织得到良好的控制，并精确成形出具有特定外形和内部筋条的空心叶片结构件，经过对该结构件多种力学性能测试，该结构件还具有最佳的综合力学性能匹配。

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。

实施例1

一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法，包括如下步骤：

（1）建立三维有限元分析模型，包括扭转成形、热成形、超塑成形三个阶段；

（2）根据建立三维有限元分析模型的过程，编写第一命令流文件，其中第一命令流文件中包含扭转成形、热成形、超塑成形三个阶段的几何参数、工艺参数；

（3）编写主程序，主程序调用第一命令流文件，通过第一命令流文件建立具有一定几何参数（原始坯料外形几何尺寸）、工艺参数（温度、扭转速度、模具下压速度、超塑成形应变速率等）的三维有限元分析模型，启动三维有限元分析模型进行计算，计算成形过程包括扭转成形、热成形、超塑成形三个阶段；

（4）主程序控制第一命令流文件提取扭转成形、热成形、超塑成形后的单元几何信息、单元应力、应变信息，并通过有限元分析软件的子程序计算应力、应变过大的单元，并确定单元编号、单元节点编号，采用主程序生成一个新的第一命令流文件，将需要修改的单元和节点写入到第一命令流文件中，并在该命令流文件中对超过公差的单元及其节点进行控制，通过移动原始坯料三维有限元分析模型中对应单元和节点，其中移动的距离根据单元应力、应变的畸变程度计算获得，重新生成新的三维有限元分析模型，用于成形计算；

（5）主程序重新调用修改后的全工艺过程的新的三维有限元分析模型，有限元分析模型包含扭转成形、热成形、超塑成形工艺过程，重复3步、4步，直至计算的成形后的应力、应变的畸变小于设计误差，这样就确定了优化的原始坯料的尺寸，得到了优化了的原始坯料尺寸的有限元模型(这一步骤的计算是为了初步确定原始坯料最佳的外形尺寸，用于下面的全工艺过程的优化计算)；

（6）主程序重新调用经过优化了原始坯料尺寸的有限元模型，以其中的面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形，工艺参数（包括温度、时间和变形速度）等为参数，对成形工艺过程进行计算，第二命令流文件提取计算后的几何信息（几何尺寸）、材料组织状态信息（主要是晶粒尺寸参数），然后根据材料组织状态信息计算出成形后叶片材料在使用状态下的的力学性能（主要包括极限拉伸强度、屈服强度等），或者是在使用状态下的力学本构关系；

（7）主程序中生成一个第三命令流文件，该命令流文件用于重新生成用于计算成形后叶片的整体刚度的三维有限元计算模型，进行计算，并通过第三命令流文件将三维有限元计算模型中的计算结果生成一个文本数据文件， 在主程序中可以读取结果文本数据文件，并利用其计算结果生成一个以最大结构刚度为目标的函数；

（8）调用优化计算程序包，根据最大结构刚度目标函数，对基于几何参数（包括面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形）、工艺参数进行优化计算，重复步骤6、步骤7，从而最终获得最佳的筋条位置止焊剂外形和位置尺寸参数、成形工艺参数，最终获得了具有最佳组织状态、内部筋条几何参数（与筋条位置止焊剂外形和位置尺寸参数相对应）的空心扭转叶片，在该几何参数和工艺参数条件下，制造的叶片具有最大的结构刚度。

实施例2

一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法，包括如下步骤：

（1）建有三维有限元分析模型，包括扭转成形、热成形、超塑成形三个阶段；

（2）根据建立三维有限元分析模型的过程，编写第一命令流文件，其中第一命令流文件中包含扭转成形、热成形、超塑成形三个阶段的几何参数、工艺参数；

（3）编写主程序，主程序调用第一命令流文件，通过该命令流文件建立具有一定几何参数、工艺参数的三维有限元分析模型，启动有限元模型进行计算，计算成形过程包括扭转成形、热成形、超塑成形三个阶段，

（4）主程序控制第一命令流文件提取扭转成形、热成形、超塑成形后的单元几何信息、单元应力、应变信息，并通过有限元分析软件的子程序计算应力、应变过大的单元，并确定单元编号、单元节点编号，采用主程序生成一个新的第一命令流文件，将需要修改的单元和节点写入到该命令流文件中，并在该命令流文件中对超过公差的单元及其节点进行控制，通过移动原始坯料三维有限元分析模型中对应单元和节点，其中移动的距离根据单元应力、应变的畸变程度计算获得，重新生成新的三维有限元分析模型，用于成形计算；

（5）主程序重新调用修改后的全工艺过程的三维有限元分析模型，三维有限元分析模型包含扭转成形、热成形、超塑成形工艺过程，重复3步、4步，直至计算的成形后的应力、应变的畸变小于设计误差，这样就确定了优化的原始坯料的尺寸，得到了优化了的原始坯料尺寸的有限元模型；

（6）主程序重新调用经过优化了原始坯料尺寸的有限元模型，以其中的面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形，工艺参数（包括温度、时间和变形速度）等为参数，对成形工艺过程进行计算，第二命令流文件提取计算后的几何信息（几何尺寸）、材料组织状态信息（主要是晶粒尺寸参数），然后根据材料组织状态信息计算出成形后叶片材料在使用状态下的的力学性能（主要包括极限拉伸强度、屈服强度等），或者是在使用状态下的力学本构关系；

（7）主程序中生成一个第三命令流文件，该命令流文件用于重新生成用于计算成形后叶片的振动疲劳三维有限元计算模型，并对模型进行振动疲劳计算分析，并通过该命令流文件将三维有限元计算模型中的计算结果生成一个文本数据文件，在主程序中可以读取结果文本数据文件，并利用其计算结果生成一个最大振动疲劳的目标函数；

（8）调用优化计算程序包，根据最大结构刚度目标函数，对基于几何参数（包括面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形）、工艺参数进行优化计算，重复步骤6、步骤7，从而最终获得最佳的筋条位置止焊剂外形和位置尺寸参数、成形工艺参数，最终获得了具有最佳组织状态、内部筋条几何参数（与筋条位置止焊剂外形和位置尺寸参数相对应）的空心扭转叶片，在该几何参数和工艺参数条件下，制造的空心扭转叶片具有最大的振动疲劳性能。

实施例3

详细具体的空心扭转叶片的设计方法的可用流程图表示，如图5所示。

空心扭转叶片的设计方法包括一个主程序，两个子程序，三个命令流文件，一个成形过程三维有限元分析标准模型。其中主程序分为两段。

在第一段主程序中，通过循环调用命令流文件1，每次调用对预制坯外轮廓几何参数修正一次，经过多次循环，直至根据判定准则，预制坯经变形后不会发生单元畸变，获得最佳的原始坯料外形轮廓几何参数。其中原始坯料是将空心叶片的上面板、下面板、芯板合并在一起作为一个变形体进行变形。

在第一个子程序中，调用命令流文件2，基于成形过程三维有限元分析标准模型，建立一个具有一定成形参数、几何参数的成形过程三维有限元分析模型，并启动计算成形过程三维有限元分析模型。其中原始坯料是将空心叶片的上面板、下面板、芯板合并在一起作为三个变形体分别进行变形。

在第一个子程序中，调用命令流文件3，读取上一步成形过程有限元模型计算结果中的几何参数信息，然后建立空心扭转叶片成形后使用性能的有限元分析模型，其中分析模型可以是静态性能、冲击性能、疲劳性能的三维有限元计算模型中的一种或几种，启动计算这些模型，获得成形后空心扭转叶片的静态性能、冲击性能、疲劳性能的数值，分别给予这些计算数值一个加权数，计算出一个或多个数值作为评价空心扭转叶片的使用性能。

依次调用命令流文件2、命令流文件3，就会通过计算具有一定成形参数、几何参数的成形过程三维有限元分析模型，获得评价成形后空心扭转叶片使用性能的一个或多个数值，将成形参数、几何参数看做是自变量，将评价使用性能的数值作为目标函数值，将这个计算过程可以看做是一个目标函数y=f(x₁,x₂)。其中y为评价使用性能的目标函数值，x₁为成形参数向量，x₂为几何参数向量。

在第二个子程序中，采用优化算法对目标函数进行优化，获得最佳值，其中优化算法可以是梯度法、Hessian矩阵法、拉格朗日乘数法、单纯形法、梯度下、遗传算法、蚁群算法、模拟退火、禁忌搜索算法、粒子群算法中的一种。

在第二段主程序中，调用第二个子程序，第二个子程序调用第一个子程序作为第二个子程序中的目标函数，将成形参数、几何参数作为第二个子程序中的自变量，从而实现基于空心扭转叶片的成形参数、几何参数的，包含成形工艺过程和使用性能的全工艺过程的优化，获得最佳的成形参数、几何参数。

采用上述要素进行空心扭转叶片设计的具体方法包括如下步骤：

（1）建立成形过程三维有限元分析标准模型，其中三维有限元分析标准模型中包括空心扭转叶片的扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程。在这个模型中，将空心叶片的上面板、下面板、芯板合并在一起作为一个变形体进行变形；

（2）编写命令流文件1，命令流文件1可以包含成形过程三维有限元分析标准模型打开的命令、修改扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程成形参数的命令、修改预制坯外轮廓几何参数的命令、修改成单元和节点参数的命令、修改材料本构关系的命令、修改边界条件的命令、启动修改后的三维有限元模型运算的命令、将计算结果写入到文本文件的命令、关闭修改后的成形过程三维有限元分析模型的命令等；

（3）第一段主程序调用命令流文件1，通过命令流文件1建立、修改具有一定成形参数的三维有限元分析模型，启动三维有限元分析模型进行计算，计算成形工艺过程，成形工艺过程包括扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程，得到计算结果；

（4）第一段主程序控制命令流文件1从包含计算结果的文件中提取扭转成形、热成形和超塑成形后的单元几何信息、单元应力、单元应变信息，判断畸变单元，确定畸变单元和节点，修改原始坯料外轮廓上对应的单元和节点，重新生成新的三维有限元分析模型；

（5）第一段主程序再次通过命令流文件1调用重新生成的新的三维有限元分析模型，重复步骤（3）和步骤（4），直至计算的扭转成形、热成形和超塑成形后的应力、应变的畸变小于设计误差，这样就确定了优化的原始坯料的外形几何尺寸；

（6）建立命令流文件2（命令流文件2包含的命令与命令流文件1包含的命令可大致相同，也可根据实际需要进行增减），第一个子程序调用命令流文件2，读取（5）成形过程有限元模型计算结果，建立一个三维有限元分析模型，其中三维有限元模型中预制坯具有优化的原始坯料的外形轮廓几何参数，三维有限元模型中将空心叶片的上面板、下面板、芯板作为一个变形体进行变形，在变形过程中三个变形体通过扩散连接区域连接在一起。成形过程三维有限元分析模型以包括几何参数和工艺参数的成形参数为参数，对成形工艺过程进行计算，得到计算结果，命令流文件2提取计算结果中的几何尺寸和材料组织状态信息，根据材料组织状态信息计算出成形后空心扭转叶片材料在使用状态下的的力学性能，或者是使用状态下的力学本构关系；

（7）根据步骤（6）的计算结果，建立命令流文件3，第一个子程序调用命令流文件3。在命令流文件3中，调用步骤（6）中包括几何尺寸和材料组织状态的计算结果，按照有限元建模的流程，生成用于计算成形后空心扭转叶片的静态性能、冲击性能和疲劳性能的三维有限元计算模型中的一个或多个，三维有限元计算模型中的材料本构关系是步骤（6）中确定的在使用状态下的的力学性能，或者是在使用状态下的力学本构关系；对三维有限元计算模型分别进行计算，并通过命令流文件将一个或多个三维有限元计算模型的计算结果生成并写入到一个文本数据文件中，在第一个子程序中读取计算结果文本数据文件。在第一个子程序中读取成形后空心扭转叶片不同载荷条件下的使用性能数值，分别给予这些计算数值一个加权数，计算出一个或多个数值来评价空心扭转叶片的使用性能；

第二个子程序调用第一个子程序，将其作为第二个子程序的优化目标函数，将成形参数、几何参数作为第二个子程序中的自变量。第二个子程序对成形过程和使用性能进行多目标优化；第二段主程序调用第二个子程序，读取（5）中优化的原始坯料外形几何参数，以原始坯料外形几何参数为依据，给出优化算法子程序既第二个子程序中自变量的初值，既成形参数、几何参数的初值，运行优化算法子程序，获得具有最佳的几何参数和工艺参数等成形参数的三维有限元模型，对这个三维有限元模型经过成形过程计算和使用性能优化计算，获得了具有最佳组织状态和内部筋条几何参数的空心扭转叶片。

Claims (9)

1.一种超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）采用参数化建模的方式，建立三维有限元分析模型，其中设计参数至少包括：几何参数、工艺参数、晶粒尺寸，其中三维有限元分析模型中包括空心扭转叶片的扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程；

（2）编写第一命令流文件，第一命令流文件中包含扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程的成形参数；

（3）编写主程序，主程序调用第一命令流文件，通过第一命令流文件建立具有一定成形参数的三维有限元分析模型，启动三维有限元分析模型进行计算，计算成形工艺过程，包括扭转成形、热成形和超塑成形工艺过程，得到计算结果；

（4）主程序控制第一命令流文件从计算结果中提取扭转成形、热成形和超塑成形后的单元几何信息、单元应力、单元应变信息，判断畸变单元和节点，确定畸变单元和节点，修改原始坯料上对应的单元和节点，重新生成新的三维有限元分析模型；

（5）主程序再次调用重新生成的新的三维有限元分析模型，重复步骤（3）和步骤（4），直至计算的扭转成形、热成形和超塑成形后的应力、应变的畸变小于设计误差，这样就确定了优化的原始坯料的尺寸，得到了优化了原始坯料尺寸的三维有限元分析模型;

（6）主程序重新调用优化了原始坯料尺寸的三维有限元分析模型，以包括几何参数和工艺参数的成形参数为参数，对成形工艺过程进行计算，得到计算结果，第二命令流文件提取计算结果中的几何尺寸和材料组织状态信息，然后根据材料组织状态信息计算出成形后空心扭转叶片材料在使用状态下的的力学性能，或者是在使用状态下的力学本构关系；

（7）根据步骤（6）的计算结果，主程序中生成第三命令流文件，在第三命令流文件中，通过调用步骤（6）的包括几何尺寸和材料组织状态的计算结果，按照有限元建模的流程，生成用于计算成形后空心扭转叶片的静态性能的三维有限元计算模型、冲击性能的三维有限元计算模型和疲劳性能的三维有限元计算模型中的一个或多个，三维有限元计算模型中的材料本构关系是步骤（6）中确定的在使用状态下的的力学性能，或者是在使用状态下的力学本构关系；对三维有限元计算模型分别进行计算，并通过第三命令流文件将三维有限元计算模型中的计算结果生成并写入到一个文本数据文件中，在主程序中读取计算结果文本数据文件，利用其计算结果生成一个多载荷的多目标函数；

（8）主程序调用优化计算程序包，其中优化计算程序包中的目标函数是步骤（7）中生成的多载荷的多目标函数，对基于包括几何参数和工艺参数的成形参数进行优化计算，判断多载荷的多目标函数值是否为极值，多载荷的多目标函数值不是极值时，计算获得下一个参数点，重复步骤（6）和步骤（7），直至得到的多载荷的多目标函数值为极值，从而获得最佳的包括几何参数和工艺参数的成形参数，最终获得了具有最佳组织状态和内部筋条几何参数的空心扭转叶片；

其中，所述步骤（4）的具体操作如下：主程序控制第一命令流文件从计算结果中提取扭转成形、热成形、超塑成形后的单元几何信息、单元应力、单元应变信息，并通过有限元分析软件的子程序计算应力、应变过大的单元，并确定单元编号、单元节点编号，采用主程序生成一个新的第一命令流文件，将需要修改的单元和节点写入到第一命令流文件中，并在该命令流文件中对超过公差的单元及其节点进行控制，通过移动原始坯料三维有限元分析模型中对应单元和节点，其中移动的距离根据单元应力、单元应变的畸变程度计算获得，重新生成新的三维有限元分析模型。

2.根据权利要求1所述的超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于：步骤（2）中所述成形参数包括几何参数和工艺参数，几何参数为原始坯料外形尺寸，工艺参数包括温度、扭转速度、模具下压速度和超塑成形应变速率。

3.根据权利要求1所述的超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于：步骤（3）中所述成形参数包括几何参数和工艺参数，几何参数为原始坯料外形尺寸，工艺参数为一定值。

4.根据权利要求1所述的超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于：步骤（6）中所述几何参数包括面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形，工艺参数包括温度、时间和变形速度。

5.根据权利要求1所述的超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于：步骤（6）中所述组织状态信息主要是晶粒尺寸参数。

6.根据权利要求1所述的超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于：步骤（6）中所述力学性能主要包括极限拉伸强度和屈服强度。

7.根据权利要求1所述的超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于：步骤（7）中所述静态性能包括结构刚度和强度，冲击性能包括鸟撞试验性能，疲劳性能包括振动疲劳性能。

8.根据权利要求1所述的超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于：步骤（7）中所述静态性能包括均布载荷条件下的受力性能，所述多载荷包括静态载荷和动态载荷。

9.根据权利要求1所述的超塑成形空心扭转叶片的设计方法，其特征在于：步骤（8）中所述几何参数包括面板与芯板外形尺寸、筋条位置、筋条止焊剂位置、筋条止焊剂外形；所述内部筋条几何参数与筋条位置、筋条止焊剂外形和位置尺寸参数相对应。