CN115680784B - 层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，包括：步骤一、将均质叶片进行分步建模；步骤二、抽取叶身初始模型几何特征面，确定叶中面为建模基准面，确定叶盆、叶背面为切割面；步骤三、根据复合材料叶身铺层方案，以叶中面为基准按照铺层方案堆叠出复合材料叶身初始模型，以叶背面与叶盆面切割叶身初始模型至包含叶身特征结构的标准形态；步骤四、绑定缘板与复合材料叶身模型，建立复合材料叶片整体模型，与均质叶片模型进行对比，确认两者模型结构相同后对复合材料施加气动载荷和温度载荷，设置边界条件，并进行有限元分析；步骤五、根据失效准则判断复合材料叶身静强度是否满足要求，并优化复合材料叶身铺层方案。

Description

层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法

技术领域

本说明书涉及复合材料数值模拟与结构技术领域，具体涉及一种层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法。

背景技术

纤维增强复合材料因其比强度大、比刚度高、抗疲劳、可设计性强等优点，在航空发动机中有着广泛的应用。采用复合材料叶片可以明显减轻叶片自身质量，进而减轻包容系统、叶盘及其传动系统质量，对提高发动机效率具有重大意义，国内外对于复合材料叶片的应用研究逐渐变得热门。

相比于试验研究手段，数值模拟能够快速准确地得到叶片在不同工况下应力分布和强度储备情况，更快地得到叶片结构迭代改进结果，节约了大量的时间与经费，对于叶片的正向设计和预研起着不可或缺的作用。然而，由于叶片结构复杂，建模困难，目前大多数仿真模拟中复合材料叶片模型的材料为均质材料，仅仅通过改变材料参数来近似模拟复合材料叶片真实情况，但这种方法无法体现复合材料叶片的细观结构特性，不仅影响模拟的精度与结果，同时难以对复合材料叶片的损伤规律进行分析，无法与试验结果形成较好的映射；除此之外，均质的叶片模型不能得到叶片不同铺层应力分布和损伤情况，无法体现纤维铺层方案对叶片强度的影响，限制了复合材料性能优势的发挥，不利于复合材料叶片的设计，导致树脂基复合材料叶片正向设计存在技术上的缺失，阻碍复合材料叶片的发展和应用。

目前关于复合材料叶片建模计算的文献较少。宋超根据复合材料叶片受力情况设计了叶片铺层厚度、铺层材料和铺层顺序，计算得到了叶片模型的最大应力和最大变形值，验证了复合材料叶片铺层设计结果(宋超，航空发动机复合材料叶片设计及成型技术研究[D]，南京航空航天大学，2014.3)。王赛对CMCs涡轮叶片进行了宏细观设计，采用有限元计算了涡轮叶片的应力分布，得到了满足复杂气动外型要求和静强度要求的涡轮转子叶片(王赛，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的宏细观结构设计[D]，南京航空航天大学，2019.6)。但他们所建立的复材叶片模型均为凸台结构，不具备光滑的流道面和前后缘，与真实叶型相差较多，难以得到准确的模拟结果，前后缘的危险位置也难以识别，影响后续的叶片铺层迭代优化效果。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，以达到提高复合材料叶片结构的迭代速度和研发效率。

本发明实施例提供了一种层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，包括以下步骤：

步骤一、将均质叶片模型拆分为叶身和缘板两个部分，进行分步建模；

步骤二、抽取叶身初始模型几何特征面，确定叶中面为建模基准面，确定叶盆和叶背面为修剪模型的切割面；

步骤三、根据复合材料叶身铺层方案，以叶中面为基准按照铺层方案堆叠出复合材料叶身初始模型，以叶背面与叶盆面为切割面，修剪叶身初始模型至包含叶身特征结构的标准形态；

步骤四、绑定缘板与复合材料叶身模型，建立复合材料叶片整体模型，并与均质叶片模型进行对比，确认两者模型结构相同后对复合材料施加气动载荷和温度载荷，设置边界条件，并进行有限元分析；

步骤五、根据设定的失效准则判断复合材料叶身静强度是否满足要求，并根据结果优化复合材料叶身铺层方案。

进一步地，步骤一具体为：导入均质叶片模型，在叶身与缘板相连处建立切割平面，通过切割平面将导圆位置以上拆分为叶身初始模型，将导圆位置以下拆分为缘板。

进一步地，步骤二具体为：

单独导入叶身初始模型，以叶身初始模型前后缘中线为界建立切割线，将叶身初始模型分割为叶背面与叶盆面；

沿叶高方向截取多个叶身初始模型的叶形线，然后以叶形线为基准建立叶中面。

进一步地，步骤三包括：导入叶中面，根据复合材料叶身铺层方案，以叶中面为基准堆叠出复合材料叶身初始模型，堆叠时将叶中面分块，以控制每一层和每一个区域的铺层结果。

进一步地，步骤三还包括：导入叶盆面与叶背面，修剪复合材料叶身初始模型至包含叶身特征结构的标准模型。

进一步地，步骤四具体为：

导入缘板与复合材料叶身建立绑定接触形成复合材料叶片模型，将复合材料叶片模型与均质叶片模型进行对比，验证复合材料叶片模型的准确性，均质叶片模型的坐标与复合材料叶片模型的坐标一致；

对均质叶片模型施加气动载荷与温度载荷，以坐标形式输出气动载荷与温度载荷；

将输出的气动载荷与温度载荷以坐标形式赋予复合材料叶片模型，设置边界条件后进行强度计算。

进一步地，步骤五具体为：

根据设定的失效准则，判断复合材料叶身静强度是否满足要求，若不满足，则根据应力分布结果及强度储备结果优化复合材料叶身铺层方案；

按照优化后的复合材料叶身铺层方案建立复合材料叶片模型并进行迭代计算，重复步骤一至步骤五，直到复合材料叶身静强度结果满足设计要求，实现复合材料叶片的正向设计。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明能够优化叶身铺层方案，实现叶片正向设计。在计算得到复合材料叶身铺层每层的应力分布及强度储备分布后识别叶身危险位置，根据结果可以将基准面分为危险位置和安全位置，通过更改危险位置纤维方向、增强危险位置铺层厚度或更改铺层顺序来优化叶身铺层方案，从而提高危险位置安全系数，达到正向设计的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的流程示意图；

图2是本发明均质叶片分部建模示意图；

图3是本发明实施例中复合材料静子叶片叶背铺层应力和强度储备分布计算结果图；

图4是本发明实施例中复合材料静子叶片叶盆铺层应力和强度储备分布计算结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，包括以下步骤：

步骤一、将均质叶片模型拆分为叶身和缘板两个部分，进行分步建模。将均质叶片模型拆分为缘板与叶身的组合，由于缘板不是复合材料静子叶片工作时的危险位置。因此为简化计算，缘板为不含铺层的均质模型，叶身为考虑细观铺层结构的复合材料模型；

步骤二、抽取叶身初始模型几何特征面，包括叶中面、叶盆面与叶背面，其中叶中面为建模基准面，叶盆和叶背面为修剪模型的切割面；

步骤三、在Workbench的ACP模块中根据复合材料叶身铺层方案，以叶中面为基准按照铺层方向堆叠出复合材料叶身初始模型，然后以叶背面与叶盆面为切割面，修剪初始模型至包含叶身特征结构的标准形态；

步骤四、在Workbench模块中导入缘板与复合材料叶身模型建立绑定接触，得到复合材料叶片整体模型，并与均质叶片模型进行对比，确认两者模型结构相同后对复合材料施加气动载荷和温度载荷，设置边界条件，进行有限元分析；

步骤五、选取合适的失效准则，判断复合材料叶身静强度是否满足要求，若不满足，则根据叶身铺层每层的应力分布改进铺层方案，然后按照新铺层方案重新建模计算并迭代，直到结果满足设计要求，实现复合材料叶片正向设计。

本发明能够优化叶身铺层方案，实现叶片正向设计。在计算得到复合材料叶身铺层每层的应力分布及强度储备分布后识别叶身危险位置，根据结果可以将基准面分为危险位置和安全位置，通过更改危险位置纤维方向、增强危险位置铺层厚度或更改铺层顺序来优化叶身铺层方案，从而提高危险位置安全系数，达到正向设计的目的。

上述步骤一具体为：

在建模软件中导入均质叶片模型，导入均质叶片模型，在叶身与缘板相连处建立切割平面，通过切割平面将导圆位置以上拆分为叶身初始模型，将导圆位置以下拆分为缘板。。

进一步地，所述步骤二具体为：

在建模软件中单独导入叶身模型，以叶身进、排气边为界建立切割线，将叶身分割为叶背面与叶盆面；

沿叶高方向截取多个叶身的叶形线，具体数量与叶身高度相关，然后以叶形几何中心线为基准建立叶中面。

步骤三中建立复合材料叶身的具体实施过程为：

在ACP模块导入叶片中面，输入复合材料叶片铺层参数，以叶中面为基准堆叠出复合材料叶身初始模型，堆叠时可将叶中面分块，从而控制叶片每一层和每一个区域的铺层参数；

导入叶盆面与叶背面，修剪初始模型至包含叶身特征结构的标准模型，包括进排气边、前后缘、叶盆面和叶背面。

步骤四中复合材料叶片有限元计算的实施过程为：

将上下缘板导入Workbench中与复合材料叶身结构建立绑定接触，并与均质叶片模型进行对比，保证复合材料叶片模型的准确性；

对均质叶片模型施加气动载荷与温度载荷，以坐标形式输出气动载荷与温度载荷，使均质叶片模型的坐标与复合材料模型的坐标一致；

将输出的载荷以坐标形式赋予复合材料叶片，设置边界条件后进行计算。

步骤五中对复合材料叶片正向设计的实施过程为：

选取适当的失效准则，判断叶片静强度是否满足要求，若不满足，则根据应力分布及强度储备结果调整叶身各铺层的纤维方向。

按照新铺层方案建立复合材料叶片模型并进行迭代计算，重复步骤一至步骤五，直到结果满足设计要求，实现复合材料叶片的正向设计。

本发明实施例可以快速合理地预测考虑铺层结构的复合材料叶片应力分布，结合适当的失效准则对叶片静强度进行评估；根据计算结果来改进铺层方案，为叶片的正向设计与工程应用提供支撑，提高复合材料叶片结构的迭代速度和研发效率。

应用本发明的具体实施例如下：

实施例中以树脂基复合材料静子直叶片为目标，叶片采用层合结构，由8层单向层铺层组成，叶盆面、叶背面方向各4层，每层厚度0.6mm。定义纤维沿叶型方向缠绕为0°，纤维沿叶片积叠轴方向铺为90°，材料参数和铺层角度见表1和表2。叶盆面与叶背面的铺层以叶中面为中心对称分布，采用的材料是增强纤维为T300的树脂基复合材料，性能参数参考文献。注意，表1中铺层方案为示例用，不是实际复材叶片所用方案。

铺层编号	铺层方向
		P3	90°
P2	45°
		P1	0°
P4	-45°

表1

表2

工作具体步骤如下：

一、对静子均质叶片模型分布建模，提取叶身几何特征结构。具体操作如下：

1.1、在建模软件中导入静子均质叶片模型，在缘板2与叶身1结合处建立切割平面，将缘板2与叶身1分离，如图2所示；

1.2、在Ansa软件中导入叶身模型，以叶身进、排气边为界建立切割线，将叶身分割为叶背面与叶盆面，并抽取叶身中面。

二、建立树脂基复合材料静子叶片模型。具体操作如下：

2.1、在ACP模块导静子入叶片中面，输入叶片试验件的铺层参数，以叶中面为基准堆叠出复合材料叶身初始模型，叶盆方向和叶背方向的层数和角度均对称分布，堆叠时可将叶中面分块，从而控制叶片每一层和每一个区域的铺层参数；

2.2、导入叶盆与叶背面，修剪初始模型至包含叶身特征结构的标准模型，包括进排气边、前后缘和叶盆叶背面；

2.3、将缘板导入Workbench中与复合材料叶身结构建立绑定接触，并与均质叶片模型进行对比，保证复合材料叶片模型的准确性。

三、对建立的树脂基复合材料静子叶片模型进行有限元分析。具体操作如下：

3.1、对静子叶片初始均质模型施加气动力与温度场，然后以坐标形式输出气动载荷与温度载荷，输出格式为“X Y Z F”，其中X，Y，Z为叶身加载面坐标值，F为气动力载荷或温度载荷。由于以初始均质模型为基础抽取了静子叶片特征结构，因此初始均质模型的坐标与复合材料模型的坐标一致；

3.2、将输出的载荷以坐标形式赋予复合材料叶片，分别为气动载荷和温度载荷；

3.3、约束静子叶片与机匣的径向配合面的径向位移；约束静子叶片与机匣的进气边侧轴向配合面的轴向位移；完成边界条件的设置后进行计算，叶背面不同铺层应力及强度储备分布如图3所示，叶盆面不同铺层应力及强度储备分布如图4所示，图中强度储备为逆储备，即数值越大越危险。

四、根据计算结果对叶片铺层进行改进，达到正向设计的目的。具体操作如下：

4.1、根据图3和图4的应力分布与强度储备结果，可以看到叶背面和叶盆面的第一层应力仅100MPa多，但强度逆储备却已经超过了2，说明该处铺层的纤维方向与应力方向匹配度较低，纤维对强度加强的作用较低，为0度。

改进不同层叶片应力较大和储备小于1位置的铺层厚度和角度，例如叶片第一层的转角处，减少叶层应力较小和储备充裕位置的铺层厚度；

4.2、以叶中面为基准，按照改进后的铺层方案进行建模并计算叶片应力与强度储备分布，修改铺层角度后叶背与叶片面的第一层，而其余层强度储备与应力分布几乎没有变化，说明改进方案达到了预期效果，后续可以根据模拟结果继续优化铺层方案，直到满足设计要求，完成叶片的正向设计，迭代过程不再赘述。

5.1、根据图3和图4叶片不同铺层的应力分布与强度储备结果，可以识别出叶片中危险位置为叶身与缘板的连接处和不同铺层之间的挤压处，从而通过优化铺层方案来提危险位置的安全系数，例如更改危险位置纤维铺层角度、更改铺层顺序和改变不同铺层之间的挤压位置等；

5.2、以叶中面为基准，按照改进后的铺层方案进行建模并计算叶片应力与强度储备分布，并根据模拟结果继续优化铺层方案，直到满足设计要求，完成叶片的正向设计。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (7)

1.一种层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将均质叶片模型拆分为叶身和缘板两个部分，进行分步建模；

步骤二、抽取叶身初始模型几何特征面，确定叶中面为建模基准面，确定叶盆和叶背面为修剪模型的切割面；

步骤三、根据复合材料叶身铺层方案，以叶中面为基准按照铺层方案堆叠出复合材料叶身初始模型，以叶背面与叶盆面为切割面，修剪叶身初始模型至包含叶身特征结构的标准形态；

步骤四、绑定缘板与复合材料叶身模型，建立复合材料叶片整体模型，并与均质叶片模型进行对比，确认两者模型结构相同后对复合材料施加气动载荷和温度载荷，设置边界条件，并进行有限元分析；

步骤五、根据设定的失效准则判断复合材料叶身静强度是否满足要求，并根据结果优化复合材料叶身铺层方案。

2.根据权利要求1所述的层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，其特征在于，所述步骤一具体为：导入均质叶片模型，在叶身与缘板相连处建立切割平面，通过切割平面将导圆位置以上拆分为叶身初始模型，将导圆位置以下拆分为缘板。

3.根据权利要求2所述的层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

单独导入叶身初始模型，以叶身初始模型前后缘中线为界建立切割线，将叶身初始模型分割为叶背面与叶盆面；

沿叶高方向截取多个叶身初始模型的叶形线，然后以叶形线为基准建立叶中面。

4.根据权利要求3所述的层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，其特征在于，所述步骤三包括：导入叶中面，根据复合材料叶身铺层方案，以叶中面为基准堆叠出复合材料叶身初始模型，堆叠时将叶中面分块，以控制每一层和每一个区域的铺层结果。

5.根据权利要求4所述的层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，其特征在于，所述步骤三还包括：导入叶盆面与叶背面，修剪复合材料叶身初始模型至包含叶身特征结构的标准模型。

6.根据权利要求5所述的层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

导入缘板与复合材料叶身建立绑定接触形成复合材料叶片模型，将复合材料叶片模型与均质叶片模型进行对比，验证复合材料叶片模型的准确性，均质叶片模型的坐标与复合材料叶片模型的坐标一致；

对均质叶片模型施加气动载荷与温度载荷，以坐标形式输出气动载荷与温度载荷；

将输出的气动载荷与温度载荷以坐标形式赋予复合材料叶片模型，设置边界条件后进行强度计算。

7.根据权利要求6所述的层合结构树脂基复合材料叶片建模及计算方法，其特征在于，所述步骤五具体为：

根据设定的失效准则，判断复合材料叶身静强度是否满足要求，若不满足，则根据应力分布结果及强度储备结果优化复合材料叶身铺层方案；

按照优化后的复合材料叶身铺层方案建立复合材料叶片模型并进行迭代计算，重复步骤一至步骤五，直到复合材料叶身静强度结果满足设计要求，实现复合材料叶片的正向设计。