CN112069623A - 一种航空发动机风扇叶片点阵填充方法 - Google Patents

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霍思旭
阎琨
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李润东
杜洪泽
柴象海
史同承
倪晓琴
刘传欣
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Abstract

本发明提供一种航空发动机风扇叶片点阵填充方法，包括：根据设计需求对叶片内部的有限元模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果对叶片区域进行划分；利用微结构点阵单胞填充各所述区域。本发明借助叶片结构分析和拓扑优化结果将叶片内部分成若干个区域，确定每个区域最优的、适用的点阵填充结构，使用不同密度，尺寸以及类型的微结构点阵单胞对航空发动机风扇空心叶片内部进行轻量化设计。

Description

一种航空发动机风扇叶片点阵填充方法
技术领域
本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种航空发动机风扇叶片点阵填充方法。
背景技术
当今社会各式各样的飞行器被广泛的应用于生产、生活、国防、科研等领域，无论是军用还是民用都在追求性能更加强大的飞行器，而拥有一台性能强劲的航空发动机是提升一架飞行器性能的先决条件，因此研发高性能的航空发动机已成为国内外航空发动机制造的首要目标。航空发动机被誉为高端制造业领域“皇冠上的明珠”，也是制约我国航空事业发展的短板之一。
航空发动机叶片是航空发动机的重要组成部分，是发动机的关键转动部件之一。其重要作用不仅体现在对发动机整机性能的影响上，还直接关系到发动机的可靠性、耐久性。由于减小风扇叶片质量是减小发动机质量和提高发动机效率的一个有效的手段，这使得结构轻量化成为发动机研发设计过程中的重要环节。
点阵结构具有超轻、高比强度、高比刚度等优点，并且其隔热性能及多功能可设计性优异，采用点阵结构对风扇叶片进行填充可以在保证风扇叶片结构性能的前提下，有效地降低风扇叶片质量。由于点阵构型形式丰富，不同的构型具有不同的性能，所以用同一种单胞进行填充往往不能很好地发挥点阵结构的优势。
发明内容
鉴于现有技术中存在的缺少减小风扇叶片质量的有效手段的技术问题，本发明提供了一种航空发动机风扇叶片点阵填充设计及方法。通过对航空发动机风扇空心叶片内部进行拓扑优化，根据拓扑优化结果对叶片内部进行分区，使用不同密度、尺寸以及类型的微结构点阵单胞对航空发动机风扇空心叶片内部进行轻量化设计。
本发明采用的技术手段如下：
一种航空发动机风扇叶片点阵填充方法，包括：根据设计需求对叶片内部的有限元模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果对叶片区域进行划分；利用微结构点阵单胞填充各所述区域。
进一步地，所述拓扑优化结果包括叶片材料密度分布；
若区域材料密度大，则通过减小单胞尺寸增加该区域单胞数量；
若区域材料密度小，则通过增大单胞尺寸减少该区域单胞数量。
进一步地，方法还包括：对各区域进行应力分析，根据应力分析结果填充各所述区域，并通过改变单胞构型调整该区域的力学性能。
进一步地，通过改变单胞内杆的截面面积来改变单胞构型，包括：通过增大单胞内杆的截面面积增强该区域的力学性能；通过减小单胞内杆的截面面积减弱该区域的力学性能。
进一步地，根据3D打印制造性约束调整单胞构型结构，所述单胞杆件倾角均不小于45°，截面半径不小于0.5mm。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过对航空发动机风扇空心叶片内部进行拓扑优化，根据拓扑优化结果创造性的对叶片内部进行分区，使用不同密度，尺寸以及单胞构型的微结构点阵单胞对航空发动机风扇空心叶片内部进行轻量化设计。通过对3D打印制造性约束的考量，得到满足3D打印制造工艺的单胞构型，使用该单胞对航空发动机风扇空心叶片内部进行填充。从而达到轻量化设计的目的，并保证其良好的性能。
基于上述理由本发明可在航空等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例中方法流程图。
图2a为实施例中VC单胞构型示意图。
图2b为实施例中BCC单胞构型示意图。
图2c为实施例中ECC单胞构型示意图。
图2d为实施例中FCC单胞构型示意图。
图2e为实施例中金字塔型单胞构型示意图。
图2f为实施例中四面体型单胞构型示意图。
图3为实施例中BCC单胞结构参数示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供了一种航空发动机风扇叶片点阵填充方法，包括：根据设计需求对叶片内部的有限元模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果对叶片区域进行划分；利用微结构点阵单胞填充各所述区域。
进一步地，根据拓扑优化结果映射出的材料分布关系，对叶片内部进行分区。使用不同密度，不同尺寸以及不同构型的微结构点阵单胞对航空发动机风扇空心叶片内部进行轻量化分区填充设计。具体来说，若区域材料密度大，则通过减小单胞尺寸增加该区域单胞数量满足叶片材料高密度要求。若区域材料密度小，则通过增大单胞尺寸减少该区域单胞数量进而满足叶片材料低密度要求。
作为本发明更进一步的实施方式，上述方法还包括对各区域进行应力分析，根据应力分析结果填充各所述区域，并通过改变单胞构型调整该区域的力学性能。作为本发明较佳的实施方式，可以通过改变单胞构型实现单胞的抗剪、抗拉、抗压性能各不相同的单胞构型，用于填充在风扇叶片不同区域，满足不同区域主要力学性能的要求。具体来说，通过改变单胞内杆的截面面积来改变单胞构型，包括通过增大单胞内杆的截面面积增强该区域的力学性能；通过减小单胞内杆的截面面积减弱该区域的力学性能，从而实现不同尺寸的点阵填充。进一步地，所述单胞杆件倾角均大于45°，截面半径不小于0.5mm。
作为本发明更进一步的实施方式，上述方法还包括根据3D打印制造性约束调整单胞构型结构。通过对3D打印制造性约束的考量，得到满足3D打印制造工艺的单胞构型，使用该单胞对航空发动机风扇空心叶片内部进行填充。从而达到轻量化设计的目的，并保证其良好的性能。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种航空发动机风扇叶片点阵填充方法，包括以下步骤：
步骤1、建立航空发动机风扇叶片内部的有限元模型，根据设计需求进行拓扑优化。
步骤2、基于所述拓扑优化结果中的材料密度分布，映射到叶片内部粗略划定不同区域内的单胞大小和杆的截面面积范围。若区域材料密度大，则通过减小单胞尺寸增加该区域单胞数量并且提高杆的截面面积。若区域材料密度小，则通过增大单胞尺寸减少该区域单胞数量并减小杆的截面面积。
具体应用时，填充密度能够配合尺寸的修改，当叶片的一个区域不需要太多的材料，则把杆的截面面积调小，同时考虑3D打印约束，杆的截面面积太小则不能打印了，还可以配合调整填充密度变，以此平衡区域打印要求和材料使用密度。
步骤3、开展对叶片内部的应力分析，基于所述结果的主要应力方向及类型，确定该区域填充单胞的最佳构型。若区域所受应力大，则该区域应当选用抗应力性能好的单胞构型，若区域所受应力小，则应侧重考虑选用单胞构型能够满足区域密度分布即可。单胞构型不仅局限于给出的VC，BCC，ECC，FCC，金字塔型以及四面体型等，如图2a-2f所示，可以根据工况在各部分选择最合适的构型和尺寸。
具体应用时，不同单胞在屈服强度，吸能效率等方面具有不同表现。比如，BCC单胞相比于FCC，VC以及ECC等单胞具有更好的承载能力；而相比其他单胞构型，ECC单胞具有较好的吸能效率；四面体型的抗屈曲性能略优于金字塔型，而金字塔型的热传导性能略优于四面体型。对于叶片各区域在不同工况下，有些受冲击，有些受拉压，因此需要根据不同的工况，选用不同种类型的单胞。
步骤4、根据3D打印制造性约束调整各区域的填充，得到可以3D打印制造的叶片填充设计。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种航空发动机风扇叶片点阵填充方法，其特征在于，包括：
根据设计需求对叶片内部的有限元模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果对叶片区域进行划分；
利用微结构点阵单胞填充各所述区域。
2.根据权利要求1所述的航空发动机风扇叶片点阵填充方法，其特征在于，所述拓扑优化结果包括叶片材料密度分布；
若区域材料密度大，则通过减小单胞尺寸增加该区域单胞数量；
若区域材料密度小，则通过增大单胞尺寸减少该区域单胞数量。
3.根据权利要求1或2所述的航空发动机风扇叶片点阵填充方法，其特征在于，方法还包括：
对各区域进行应力分析，根据应力分析结果填充各所述区域，并通过改变单胞构型调整该区域的力学性能。
4.根据权利要求3所述的航空发动机风扇叶片点阵填充方法，其特征在于，通过改变单胞内杆的截面面积来改变单胞构型，包括：
通过增大单胞内杆的截面面积增强该区域的力学性能；
通过减小单胞内杆的截面面积减弱该区域的力学性能。
5.根据权利要求4所述的航空发动机风扇叶片点阵填充方法，其特征在于，根据3D打印制造性约束调整单胞构型结构，所述单胞杆件倾角均不小于45°，截面半径不小于0.5mm。
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