一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料-结构一体化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料

【技术实现步骤摘要】
一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料
‑
结构一体化设计方法


[0001]本专利技术属于航空航天发动机
，具体涉及一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料
‑
结构一体化设计方法。

技术介绍

[0002]风扇叶片是民用大涵道比涡扇发动机最重要的结构部件之一，为满足日益增长的低油耗和高推重比要求，先进民用涡扇发动机正在向涵道比更大、结构力学性能更稳定的方向发展，树脂基复合材料风扇叶片因其重量轻，减振性能好的特点，在民用大涵道比涡扇发动机中得到应用，对其进行轻量化设计具有重要意义。
[0003]树脂基复合材料风扇叶片的优化设计主要分为以下三个方面：材料类型选择、叶片铺层结构优化以及叶片空心结构尺寸优化。传统的优化设计方法未能考虑复合材料风扇叶片的空心结构，且优化变量选取较为单一，主要为铺层角度，在优化目标上主要以强度或共振裕度为优化目标，很少对叶片质量进行优化设计，无法实现材料的最大化利用，不利于提高发动机整体推重比。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种针对树脂基复合材料空心风扇叶片的材料
‑
结构一体化设计方法，采用空心叶片高效自动建模方法和蔡
‑
吴失效准则，基于多岛遗传算法以空心风扇叶片的模态性能、强度性能和刚度性能为优化约束对空心风扇叶片质量进行优化。能够考虑复合材料参数、铺层角度、空心泡沫结构尺寸对叶片性能影响，进一步降低风扇叶片质量。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料
‑
结构一体化设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：利用三维建模软件，导入叶片构型曲线数据点，利用样条生成曲线，然后通过曲线组构建曲面，最后利用缝合实现实心风扇叶片建模，然后引入基准面和偏置量，实现空心风扇叶片的几何模型参数化建模；
[0008]步骤2：运行仿真软件，导入步骤1中建立的空心风扇叶片和PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫夹芯实体模型，进行几何模型处理、网格自动划分、铺层属性赋予、载荷和边界条件施加的操作，并开始结构力学性能分析计算，得到蔡
‑
吴强度因子分布、叶片伸长量、各阶模态频率并生成命令脚本；所述铺层属性赋予包括铺层角度选择；
[0009]步骤3：利用多学科设计软件实现参数化几何模型自动更新模块的集成：提取关键参数控制文件中空心风扇叶片的关键参数作为设计变量，完成步骤2中的命令脚本的集成，所述命令脚本读取设计变量中的关键参数，完成自身程序的更新，利用所述命令脚本完成空心风扇叶片在有限元分析软件中的自动分区，实现参数在三维建模软件模型、命令脚本和有限元模型中的传递；
[0010]步骤4：在步骤3所建立的参数传递方法上，对复合材料的材料强度和模量的参数灵敏度分析，获取关键变量及主效应图；结合所述主效应图得到强度和模量的选择范围，根据选择范围从材料数据库中选择若干材料；
[0011]步骤5：在步骤1～步骤4中得到的变量变化范围的基础上，以步骤1中空心风扇叶片的几何参数(偏置量、空心腔中定义的基准面高度)、步骤2的有限元模型中的铺层角度、步骤3确定的复合材料关键材料参数(模量、泊松比)为设计变量，蔡
‑
吴强度因子、叶片伸长量和模态频率为优化约束，叶片质量函数为优化目标建立优化模型，采用多岛遗传算法对空心风扇叶片铺层角度和空心结构尺寸进行优化设计。
[0012]进一步地，所述步骤1中，所述几何模型参数化建模具体包括：从叶尖到空腔底部高度定义五个参考基准平面分别为M0‑
M4，五个截面之间的高度间隔分别为H1‑
H4；在每个截面内将叶片轮廓进行偏置，偏置量分别是G1‑
G5，从而形成五个封闭曲线L0‑
L4，对这五个封闭曲线进行缝合以完成建模。
[0013]进一步地，所述几何模型参数化建模的处理及范围约束准则如下：所述几何模型参数化建模的处理及范围约束准则如下：将H2‑
H4的大小用参数E约束，H1的大小用参数H约束；其中H的取值范围应该为叶身高度的7％～17％，H的值小于叶身高度的7％使得平面靠近叶尖的曲面，无法生成轮廓曲线，H的值大于叶身高度的17％，使得M1曲面与M2曲面重合；E值小于叶身高度的9％导致轮廓曲线无法缝合成实体，E值大于叶身高度的25％会超过叶身高度范围；
[0014]空心内腔各截面曲线所围成的面积保持基本一致，以形成规则的泡沫填充内腔；将L4曲线偏置量G4设为参数G，L0‑
L3的偏置量依次递减，分别为0.9G、0.85G、0.82G、0.76G，限制G的取值范围为截面叶宽的11％～19％。
[0015]进一步地，所述步骤2中，所述网格自动划分具体包括：首先将叶片的空心区域和实心区域分割开，分割平面为M4平面；然后将叶片中部平滑区域与两侧叶边构型异形区域分割开，确定分割平面所需的点均为结构中点，在三维建模软件中获取并输入到命令脚本中。
[0016]进一步地，所述步骤2中，所述铺层角度选择的约束准则具体包括：(1)铺层均衡对称原则：铺层的顺序关于中面对称，铺层角度保持均衡，
‑
45度的铺层数目与+45度保持相同；(2)按照受载情况的铺层取向原则：0度铺层承受单轴拉伸载荷的能力较强；90度铺层承受剪切载荷的能力较强；
±
45度铺层承受扭力载荷的能力较强；根据实际受载情况，选择铺层方式；(3)铺层顺序原则：采用错序铺放的方式降低层间应力，提高强度性能，0度铺层不铺放于构件上下表面。
[0017]进一步地，所述步骤4中的关键变量包括：横向拉伸强度Y
T
、纵向弹性模量E1和横向弹性模量E2，通过所述主效应图得到所述关键变量的选择范围：横向拉伸强度Y
T
>40MPa、纵向弹性模量E1>160GPa、横向弹性模量E2<9000Mpa。
[0018]进一步地，所述步骤5中，优化约束的界限采用以下方法确定：所述蔡
‑
吴强度因子大于或等于1，代表复合材料结构发生损伤，不满足强度要求；若小于1，表示复合材料结构不发生失效，满足强度要求；复合材料的安全系数不低于1.5，即蔡
‑
吴强度因子小于0.66；最大变形量与叶身高度比值小于1％；叶片的共振裕度至少为10％。
[0019]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0020]在几何建模方面，相比传统的复合材料风扇叶片几何建模，增加考虑了复合材料风扇叶片的空心泡沫内腔结构，结合现有的泡沫夹芯工艺，提出了一种空心叶片结构几何参数化策略，能够规范化空心内腔的三维建模，并且对现有参数进行合理简化以提高优化设计效率；在仿真建模方面，相比传统的自动网格划分，针对复合材料铺层结构的计算需求，提出了一种有限元建模分区策略，可以实现在保证网格质量和铺层方向的同时，对不同结构空心风扇叶片的自动网格本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料
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结构一体化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用三维建模软件，导入叶片构型曲线数据点，利用样条生成曲线，然后通过曲线组构建曲面，最后利用缝合实现实心风扇叶片建模，然后引入基准面和偏置量，实现空心风扇叶片的几何模型参数化建模；步骤2：运行仿真软件，导入步骤1中建立的空心风扇叶片和聚甲基丙烯酰亚胺泡沫夹芯实体模型，进行几何模型处理、网格自动划分、铺层属性赋予、载荷和边界条件施加的操作，并开始结构力学性能分析计算，得到蔡
‑
吴强度因子分布、叶片伸长量、各阶模态频率并生成命令脚本；所述铺层属性赋予包括铺层角度选择；步骤3：利用多学科设计软件实现参数化几何模型自动更新模块的集成：提取关键参数控制文件中空心风扇叶片的关键参数作为设计变量，完成步骤2中的命令脚本的集成，所述命令脚本读取设计变量中的关键参数，完成自身程序的更新，利用所述命令脚本完成空心风扇叶片在有限元分析软件中的自动分区，实现参数在三维建模软件模型、命令脚本和有限元模型中的传递；步骤4：在步骤3所建立的参数传递方法上，对复合材料的材料强度和模量的参数灵敏度分析，获取关键变量及主效应图；结合所述主效应图得到强度和模量的选择范围，根据选择范围从材料数据库中选择若干材料；步骤5：在步骤1～步骤4中得到的变量变化范围的基础上，以步骤1中空心风扇叶片的几何参数、步骤2中的有限元模型中的铺层角度、步骤3确定的复合材料关键参数为设计变量，蔡
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吴强度因子、叶片伸长量和模态频率为优化约束，叶片质量函数为优化目标建立优化模型，采用多岛遗传算法对空心风扇叶片铺层角度和空心结构尺寸进行优化设计。2.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料
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结构一体化设计方法，其特征在于：所述步骤1中，所述几何模型参数化建模具体包括：从叶尖到空腔底部高度定义五个参考基准平面分别为M0‑
M4，五个截面之间的高度间隔分别为H1‑
H4；在每个截面内将叶片轮廓进行偏置，偏置量分别是G1‑
G5，从而形成五个封闭曲线L0‑
L4，对五个封闭曲线进行缝合以完成建模。3.根据权利要求2所述的一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料
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结构一体化设计方法，其特征在于：所述几何模型参数化建模的处理及范围约束准则如下：将H2‑
H4的大小用参数E约束，H1的大小用参数H约束；其中H的取值范围应该为叶身高度的7％～17％，H的值小于叶身高度的7％使得平面靠近叶尖的曲面，无法生成轮廓曲线，H...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘茜，陈若琦，胡殿印，王荣桥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：