CN112307583A - 一种复合材料叶片设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于发动机维护设备设计技术领域，特别涉及一种复合材料叶片设计方法，包括如下步骤：步骤一、复合材料叶片铺层数量分布计算；步骤二、铺层数量分区精度计算，判断铺层数量分区精度是否满足设计要求；若满足，则确定叶片的铺层数量分区，并进行步骤三；若不满足，返回步骤一，进行铺层数量分区精度调整，只到满足设计要求；步骤三、进行复合材料叶片各铺层纤维方向、剪裁设计。本申请的复合材料叶片设计方法，实现了复合材料叶片的正向设计，解决了以工艺试验为基础的“半逆向设计”方法中的技术问题，能够充分贯彻设计意图、减小了由于反复迭代过程的材料和人工成本的消耗、避免了“试铺法”的工艺迭代，提高了设计效率。

Description

一种复合材料叶片设计方法
技术领域
本申请属于发动机维护设备设计技术领域，特别涉及一种复合材料叶片设计方法。
背景技术
随着复合材料设计及加工技术的发展，复合材料结构件在航空发动机中得到了越来越为广泛的应用。目前在航空发动机领域树脂基复合材料主要应用于外涵机匣、风扇转子叶片、静子扇形段等构件，其中树脂基复合材料叶片以其质量轻、可降噪、抗颤振能力强、损伤容限高等优点越加受到重视。
航空发动机叶片(尤其风扇/压气机叶片)的厚度小而变化大，且有明显的弯、扭、掠等造型特点。这些特点给复合材料叶片结构设计提出巨大挑战。
目前，在复合材料叶片设计之初，首先开展叶片铺设工艺研究，通过反复的工艺试验确定叶片的铺层区域、各区域的铺层层数以及各铺层的形状，在此基础上开展复合材料纤维方向的设计及优化。在该技术路径下，工艺研究充当了叶片铺层设计及分析的作用，回避了复合材料叶片正向设计中遇到的难题。
现有的复合材料叶片设计技术属于“半逆向”设计，是在叶片铺设工艺研究的基础上开展的优化及改进设计。通过工艺研究确定复合材料叶片铺层数量区域的分布，以计算分析及考核试验为手段开展铺设方案的优化和改进设计。目前的设计方法设计效率低、设计成本较高，特别是对加工工艺能力、工艺研究进度依赖性大，设计自主性差。具体表现在以下几个方面：
技术方面：
现有的设计方法以工艺试验为主、强度校核和结构优化设计为辅，属于“半逆向”设计，与正向设计相比该设计方法相对“被动”。铺层区域划分、铺设方法等技术参数由工艺决定，因此设计意图很难落实到产品中。
经济效益方面：
以工艺试验为基础的设计方法，需对不同的叶片叶型开展针对性的工艺试验研究工作，普适性较差。在没有前期设计初始输入的情况下，工艺试验通过“试铺法”确定不同铺层区域的范围以及相应区域内的铺层厚度、形状等技术参数，高反复性导致大量的材料耗费及人工成本浪费。
效率方面：
由于复合材料“试铺法”的高反复性导致研制周期耗时较长。加之目前工艺试验的初始设计参数的选择是基于前期经验，缺乏设计依据，设计考核成功可能性较小，后期铺设优化方案与工艺设计铺设方案异较大，需要大量的设计与工艺的迭代工作。因此，目前的复合材料叶片设计技术路径效率较低。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种复合材料叶片设计方法。
本申请公开了一种复合材料叶片设计方法，包括如下步骤：
步骤一、复合材料叶片铺层数量分布计算；
步骤二、铺层数量分区精度计算，判断铺层数量分区精度是否满足设计要求；若满足，则确定叶片的铺层数量分区，并进行步骤三；若不满足，返回步骤一，进行铺层数量分区精度调整，只到满足设计要求；
步骤三、进行复合材料叶片各铺层纤维方向、剪裁设计。
根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤一包括：
步骤1.1、选择复合材料叶片铺设起始面、终止面以及复合材料选材；
步骤1.2、沿复合材料叶片展向设置多个截面，其中，每个截面垂直于叶片径向，且每个截面上与起始面和终止面的交线分别定义为起始边和终止边；
步骤1.3、在每个截面上，沿复合材料叶片弦向设置多个控制点及计算各控制点的坐标；
步骤1.4、在所述起始边上的控制点为起始点，分别计算各起始点处叶片厚度，其中，起始点处叶片厚度是该起始点到同一截面上终止边的距离；
步骤1.5、根据各起始点处叶片厚度与复合材料单层板的厚度的比值，确定对应起始点处的铺层数目，最终确定所有截面是各起始点的铺层数目，以完成二维截面铺层区域划分；
步骤1.6、沿复合材料叶片积叠轴方向将各截面中具有相同铺层数量的二维截面铺层区域进行积叠，以生成三维区域模型，从而得到复合材料叶片铺层数量分布。
根据本申请的至少一个实施方式，在步骤1.5中，是通过如下关系式确定对应起始点处的铺层数目：
Figure BDA0002755208870000031
其中，N为对应起始点处的铺层层数，H为对应起始点处叶片厚度，h为复合材料单层板的厚度，δ1为预浸料的增减系数，
Figure BDA0002755208870000032
符号分别表示除法向上取整和除法向下取整，mod(N，n)表示N/n的余数；
当余数大于δ1时，得到的铺层数在整除数的基础上继续增加一层铺层；当余数小于δ1时，得到的铺层数为整除数。
根据本申请的至少一个实施方式，复合材料叶片的铺设方向包括四种：从叶盆向叶背；从叶背向叶盆；从叶盆及叶背向中弧面；从中弧面向叶盆及叶背；
其中，步骤1.1的起始面选自叶盆面、叶背面以及中弧面中的一个，则终止面根据所选的铺设方向进行对应的选择。
根据本申请的至少一个实施方式，在步骤1.6中，是利用CAD软件的多截面体生成功能，沿复合材料叶片积叠轴方向将各截面中具有相同铺层数量的二维截面铺层区域进行积叠，以生成三维区域模型。
根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤二包括：
步骤2.1、在步骤1.6中得到的三维区域模型中，选取叶片中面，并通过有限元方法构建叶片中面壳结构模型，其中，叶片中面为距离叶片盆侧及背侧相同的曲面；
步骤2.2、通过有限元方法构建为复合材料叶片真实体结构三维几何模型；
步骤2.3、根据有限元分析方法，对叶片中面壳结构模型和叶片真实体结构三维几何模型开展对应的二维和三维叶片的振动分析，判断两者各阶次的固有频率计算结果的误差；
步骤2.4、根据误差判断复合材料叶片铺层分区精度是否满足设计要求。
根据本申请的至少一个实施方式，在步骤二中，返回步骤一进行铺层数量分区精度调整包括：
对步骤1.2中截面选取数量进行调整；以及
对步骤1.2中多个截面在复合材料叶片展向上布置间隔进行调整；以及
对步骤1.3中每个截面上控制点的选取数量进行调整；以及
对步骤1.3中每个截面上多个控制点的布置间隔进行调整。
本申请的复合材料叶片设计方法，实现了复合材料叶片的正向设计，解决了以工艺试验为基础的“半逆向设计”方法中的技术问题，至少具备如下优点：
1)叶片铺层分区设计的应用，可以“主动”地将设计意图落实到复合材料叶片结构方案中；
2)免去或减少了试铺的工艺试验环节；在铺层设计结果的指导下，有效避免了由于高反复性带来的材料及人工成本的大量浪费；
3)以正向设计为前提，在理论分析和计算分析的指导下，省去了“试铺法”的工艺环节，避免了后期铺设优化方案与工艺设计铺设方案差异较大而引起的大量设计到工艺迭代工作，大大提升了设计效率。
附图说明
图1是本申请复合材料叶片设计方法流程图；
图2是本申请复合材料叶片设计方法中铺层厚度示意图；
图3是本申请复合材料叶片设计方法中铺层方向示意图；
图4是本申请复合材料叶片设计方法中某截面铺层厚度分布情况；
图5是本申请复合材料叶片设计方法中一实施例的三维铺层分区情况；
图6是本申请复合材料叶片设计方法中复合材料叶片中面分区示意图；
图7是本申请复合材料叶片设计方法中铺层分区计算精度调整(截面调整)示意图；
图8是本申请复合材料叶片设计方法中铺层分区计算精度调整(控制点调整)示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
下面结合附图1-图8对本申请的复合材料叶片设计方法做进一步详细说明。
本申请提供了一种复合材料叶片设计方法，首先通过叶片几何的三维转二维计算-二维铺层分区计算-二维分区转三维分区计算的方法获得了复合材料叶片铺层数量分布情况。其次，通过“固有频率对比法”借助有限元分析手段，对复合材料叶片铺层分布计算结果的准确性进行分析。然后，可分别由叶片的展向和弦向两个维度对叶片分区计算精度进行调整，以满足设计需求。最后，在确定复合材料叶片铺层分布的基础上开展各个铺层的纤维铺设方向及剪裁等相关设计工作。
具体的，本申请的复合材料叶片设计方法包括如下步骤：
步骤一、复合材料叶片铺层数量分布计算；
步骤二、铺层数量分区精度计算，判断铺层数量分区精度是否满足设计要求；若满足，则确定叶片的铺层数量分区，并进行步骤三；若不满足，返回步骤一，进行铺层数量分区精度调整，只到满足设计要求；
步骤三、进行复合材料叶片各铺层纤维方向、剪裁设计。
进一步的，上述步骤一又包括：
步骤1.1、选择复合材料叶片铺设起始面、终止面以及复合材料选材；
其中，复合材料的铺层数量为铺设厚度与单层复合材料(单层板)厚度的比值，因此，复合材料叶片铺层分区首先要确定叶片的铺设厚度与所选单层板的厚度。单层板的厚度由复合材料选材而确定，铺设起始面某点的铺设厚度为该点到铺设终止面的距离，等于过该点到铺设终止面的垂线段长度。
需要说明的是，如图2所示，P为s1面上的一点，P’、P”为s2面上的点，线段PP’垂直于s1面，线段PP”垂直于s2面，S1截面为垂直于叶片径向的截面。若s1面为铺设起始面，s2面为铺设终止面，则过P点的铺设厚度为L1，若s2面为铺设起始面，则过P点的铺设厚度为L2；即基于复合材料叶片结构特殊性，起始面和终止面选择的不同，会导致铺设厚度的不同，为此第一步骤(即步骤1.1)首先就要先确定起始面和终止面。
步骤1.2、沿复合材料叶片展向设置多个截面(参见图2、图7中的S1截面)，其中，每个截面垂直于叶片径向，且每个截面上与起始面和终止面的交线分别定义为起始边和终止边。
步骤1.3、在每个截面上，沿复合材料叶片弦向设置多个控制点及计算各控制点的坐标，参见图7中控制点。
步骤1.4、在所述起始边上的控制点为起始点，分别计算各起始点处叶片厚度，其中，起始点处叶片厚度是该起始点到同一截面上终止边的距离。
步骤1.5、根据各起始点处叶片厚度与复合材料单层板的厚度的比值，确定对应起始点处的铺层数目，最终确定所有截面是各起始点的铺层数目，以完成二维截面铺层区域划分。
其中，复合材料叶片铺设起始、终止面为三维曲面，很难通过数学表达式进行描述或等效，因此其三维铺设厚度无法直接计算。本申请通过叶片几何的三维转二维计算-二维铺层分区计算-二维分区转三维分区计算的技术路径来解决该问题。
上述步骤1.1-1.4即为三维转二维计算的步骤，可以根据叶型的S1截面数据直接获取叶片二维坐标信息，或者由已知的S1控制点坐标通过插值获取其它叶高处的S1截面控制点坐标信息。根据叶片造型，S1截面控制点被分为盆边控制点及叶背边控制点。
另外，在二维分区前首先确定复合材料的铺设方向，以确定铺设起始面和终止面。铺设起始、终止面与叶片S1截面的交线分别定义为铺设起始、终止边。因此，铺设厚度由三维铺设起始面上的点到终止面的距离转化为二维铺设起始边上的点到铺设终止边的距离，实现了铺设厚度的降维计算。
其中，复合材料叶片的铺设方向根据叶型、使用工况及加工工艺等因素决定，通常有四种铺设方向，分别为：1、叶盆向叶背，2、叶背向叶盆，3、叶盆及叶背向中弧面，4、中弧面向叶盆及叶背(见图3)。
另外，复合材料叶片铺设起始、终止边分别为叶盆边、叶背边以及中弧面线三者之一。在三维转二维计算分析中已经得到了叶盆边及叶背边上控制点的坐标，根据叶盆边、叶背边的控制点可以求出叶片中弧线上相应的控制点坐标。因此，在复合材料叶片铺设起始、终止边确定的同时，其控制点坐标也确定出来。起始、终止边控制点可以通过插值的方法进行加密，以确保计算精度。
铺设起始、终止边确定后，计算铺设起始边上控制点到铺设终止边的距离H，即为二维铺设厚度；该铺设起始点处的铺层数目为：
Figure BDA0002755208870000071
其中，N为所考察控制点(即对应起始点)的铺层层数，h为单层板的厚度，
Figure BDA0002755208870000072
符号分别表示除法向上取整和除法向下取整，mod(N，n)表示N/n的余数；δ1定义为预浸料的“增减系数”，该系数用于判断所考察位置的铺层层数：当所考察位置厚度整除预浸料厚度后的余数大于δ1时，认为该处位置的铺层数应该在整除数的基础上继续增加一层铺层，当余数小于δ1时，认为该处位置的铺层数应该为整除数，其中，系数δ1应根据不同材料的加工性，并结合工程经验给出。
最后，根据上述的计算方法，可求出不同S1截面的复合材料叶片铺层分布情况，从而完成二维铺层分区计算；如图4所示，是本申请一具体实施例中某S1截面铺层厚度分布情况。
步骤1.6、沿复合材料叶片积叠轴方向将各截面中具有相同铺层数量的二维截面铺层区域进行积叠，以生成三维区域模型，从而得到复合材料叶片铺层数量分布。
在完成所有二维铺层分区后，可得到相同铺层数量区域在各S1截面的分布情况。利用已知的例如CAD软件，应用多截面体生成功能，沿叶片积叠轴方向将具有相同铺层数量的二维截面区域进行积叠生成三维区域模型。该模型既为具有相同铺层数量的三维铺层区域，参见图5所示，为本申请一具体实施例中的三维铺层分区情况。
进一步的，本申请复合材料叶片设计方法中，为保证分区的准确性，提出了分区精度校核方法，即上述步骤二。
具体的，上述步骤二又包括：
步骤2.1、在步骤1.6中得到的三维区域模型中，选取叶片中面，并通过有限元方法构建叶片中面壳结构模型，其中，叶片中面为距离叶片盆侧及背侧相同的曲面，叶片中面能够充分体现叶片的造型特征；
步骤2.2、通过有限元方法构建为复合材料叶片真实体结构三维几何模型；
步骤2.3、根据有限元分析方法，对叶片中面壳结构模型和叶片真实体结构三维几何模型开展对应的二维和三维叶片的振动分析，判断两者各阶次的固有频率计算结果的误差；
由于叶片为薄壁结构，借助有限元分析方法，分别开展二维、三维叶片的振动分析。如图6所示，叶片中面的铺层区域为叶片中面与相应三维铺层区域的交集。将各铺层分区对应的铺层厚度参数赋予二维几何模型以模拟相应位置的叶片厚度。
另外，为了去除材料因素对振动频率的影响，在二维、三维振动分析过程中整个模型均赋予相同的各项同性材料属性。根据有限元分析理论可知，若叶片中面的铺层(厚度)分区情况与三维叶片厚度分布完全一致，则两者各阶次的固有频率计算结果相同。
步骤2.4、根据误差判断复合材料叶片铺层分区精度是否满足设计要求。
具体的，通过两种计算结果的误差来定义复合材料叶片铺层分区的精度，用δ*表示。误差允许度δ越小，区域划分的结果与真实三维叶片偏差越小，但分区计算的计算量越大且模型处理的难度越大，误差允许度δ的选择要符合工程需求开展。两种模型下固有频率的误差允许度δ的计算公式为：
Figure BDA0002755208870000081
其中：
Figure BDA0002755208870000082
为三维叶片的第n阶频率，
Figure BDA0002755208870000083
为二维(中面)叶片的第n阶频率；
当δ≤δ*时，该叶片厚度的分区满足设计需求；
当δ＞δ*时，该叶片厚度的分区不满足设计需求。
进一步的，在步骤二中，判断铺层数量分区精度不满足设计要求，返回步骤一进行铺层数量分区精度调整的步骤中，如图7-图8所示，进行铺层数量分区精度调整具体可以包括：
对步骤1.2中截面选取数量进行调整；以及
对步骤1.2中多个截面在复合材料叶片展向上布置间隔进行调整；以及
对步骤1.3中每个截面上控制点的选取数量进行调整；以及
对步骤1.3中每个截面上多个控制点的布置间隔进行调整。
其中，对截面数量和布置间隔进行调整相当于是从叶片的展向维度进行调整，截面上控制点及布置间隔进行调整相当于是从叶片的弦向维度进行调整；即叶片铺层分区可分别由叶片的展向和弦向两个维度进行调整。
综上所述，本申请的复合材料叶片设计方法，实现了复合材料叶片的正向设计，解决了以工艺试验为基础的“半逆向设计”方法中的技术问题。
更具体的，本申请的复合材料叶片设计方法至少具备如下优点：
1)叶片铺层分区设计的应用，可以“主动”地将设计意图落实到复合材料叶片结构方案中；
2)免去或减少了试铺的工艺试验环节；在铺层设计结果的指导下，有效避免了由于高反复性带来的材料及人工成本的大量浪费；
3)以正向设计为前提，在理论分析和计算分析的指导下，省去了“试铺法”的工艺环节，避免了后期铺设优化方案与工艺设计铺设方案差异较大而引起的大量设计到工艺迭代工作，大大提升了设计效率。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种复合材料叶片设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、复合材料叶片铺层数量分布计算；
步骤二、铺层数量分区精度计算，判断铺层数量分区精度是否满足设计要求；若满足，则确定叶片的铺层数量分区，并进行步骤三；若不满足，返回步骤一，进行铺层数量分区精度调整，只到满足设计要求；
步骤三、进行复合材料叶片各铺层纤维方向、剪裁设计。
2.根据权利要求1所述的复合材料叶片设计方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤1.1、选择复合材料叶片铺设起始面、终止面以及复合材料选材；
步骤1.2、沿复合材料叶片展向设置多个截面，其中，每个截面垂直于叶片径向，且每个截面上与起始面和终止面的交线分别定义为起始边和终止边；
步骤1.3、在每个截面上，沿复合材料叶片弦向设置多个控制点及计算各控制点的坐标；
步骤1.4、在所述起始边上的控制点为起始点，分别计算各起始点处叶片厚度，其中，起始点处叶片厚度是该起始点到同一截面上终止边的距离；
步骤1.5、根据各起始点处叶片厚度与复合材料单层板的厚度的比值，确定对应起始点处的铺层数目，最终确定所有截面是各起始点的铺层数目，以完成二维截面铺层区域划分；
步骤1.6、沿复合材料叶片积叠轴方向将各截面中具有相同铺层数量的二维截面铺层区域进行积叠，以生成三维区域模型，从而得到复合材料叶片铺层数量分布。
3.根据权利要求2所述的复合材料叶片设计方法，其特征在于，在步骤1.5中，是通过如下关系式确定对应起始点处的铺层数目：
Figure FDA0002755208860000011
其中，N为对应起始点处的铺层层数，H为对应起始点处叶片厚度，h为复合材料单层板的厚度，δ1为预浸料的增减系数，
Figure FDA0002755208860000021
符号分别表示除法向上取整和除法向下取整，mod(N，n)表示N/n的余数；
当余数大于δ1时，得到的铺层数在整除数的基础上继续增加一层铺层；当余数小于δ1时，得到的铺层数为整除数。
4.根据权利要求2所述的复合材料叶片设计方法，其特征在于，复合材料叶片的铺设方向包括四种：叶盆向叶背；叶背向叶盆；叶盆及叶背向中弧面；中弧面向叶盆及叶背；
其中，步骤1.1的起始面选自叶盆面、叶背面以及中弧面中的一个，则终止面根据所选的铺设方向进行对应的选择。
5.根据权利要求2所述的复合材料叶片设计方法，其特征在于，在步骤1.6中，是利用CAD软件的多截面体生成功能，沿复合材料叶片积叠轴方向将各截面中具有相同铺层数量的二维截面铺层区域进行积叠，以生成三维区域模型。
6.根据权利要求2所述的复合材料叶片设计方法，其特征在于，所述步骤二包括：
步骤2.1、在步骤1.6中得到的三维区域模型中，选取叶片中面，并通过有限元方法构建叶片中面壳结构模型，其中，叶片中面为距离叶片盆侧及背侧相同的曲面；
步骤2.2、通过有限元方法构建为复合材料叶片真实体结构三维几何模型；
步骤2.3、根据有限元分析方法，对叶片中面壳结构模型和叶片真实体结构三维几何模型开展对应的二维和三维叶片的振动分析，判断两者各阶次的固有频率计算结果的误差；
步骤2.4、根据误差判断复合材料叶片铺层分区精度是否满足设计要求。
7.根据权利要求6所述的复合材料叶片设计方法，其特征在于，在步骤二中，返回步骤一进行铺层数量分区精度调整包括：
对步骤1.2中截面选取数量进行调整；以及
对步骤1.2中多个截面在复合材料叶片展向上布置间隔进行调整；以及
对步骤1.3中每个截面上控制点的选取数量进行调整；以及
对步骤1.3中每个截面上多个控制点的布置间隔进行调整。
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康永强等: "铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析", 《航空动力学报》 *

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