[發明專利]一種基于選區激光熔化工藝的航空葉片拓撲優化設計方法

在審

• 申請號: 202110096286.8
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112765732A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 姜興宇;徐效文;喬赫廷;劉偉軍;季思東;王蔚;邢飛
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10;G06F113/10;G06F119/14;G06F119/18
• 代理公司: 北京展翅星辰知識產權代理有限公司 11693
• 代理人: 王文生

1.一種基于選區激光熔化工藝的航空葉片拓撲優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、航空葉片靜力學分析；

S2、構建基于變密度法的航空葉片拓撲優化數學模型；

S3、考慮SLM工藝約束的航空葉片拓撲優化設計；

S4、基于SLM工藝約束的航空葉片拓撲結果重構；

S5、采用有限元分析工具對航空葉片優化結果進行強度校核；

S6、采用增材制造過程仿真工具對拓撲優化后葉片進行SLM工藝的可行性分析；

S7、將優化設計后的航空葉片模型導入增材制造設計完成制造。

2.根據權利要求1所述的基于選區激光熔化工藝的航空葉片拓撲優化設計方法，其特征在于，步驟S1包括如下子步驟：

S11、設置航空葉片材料鎳基高溫合金718物性參數、添加邊界約束條件、載荷工況，建立航空葉片有限元分析模型；

S12、有限元結果分析，確定優化區域。

3.根據權利要求1所述的基于選區激光熔化工藝的航空葉片拓撲優化設計方法，其特征在于，步驟S2包括如下子步驟：

S21、建立以柔度最小化為目標函數、單元密度為設計變量、體積分數為約束條件的拓撲優化數學模型，計算公式：

find X＝{η₁,η₂,…,η_N}^T

η_min≤η_i≤1.0

η_j＝1.0(j＝J₁,J₂,…,J_M)

式中，X＝{η₁,η₂,…,η_N}單元偽密度向量，即為拓撲優化設計變量；N葉片設計區域中可設計單元的數目；

Compli葉片整體結構的柔順性，柔順性最小化表示結構剛度最大；

f_i為體積力；t_i為邊界面積力(注：本文主要考慮葉片所承受的壓力)；

V_i表示第i個單元的體積；V₀表示整個葉片結構的體積；

△為優化時指定去除質量的百分比；

η_min為密度下限，以避免整體剛度矩陣的奇異性；

j＝J₁,J₂,…,J_M表示非設計單元在整體單元的排號，且這些單元的偽密度始終保持1；

σ_ij為應力張量，δε_ij表示與σ_ij相應的虛應變張量；

δu_i表示虛位移；

為葉片靜力平衡方程；

S22、采用基于梯度的數學規劃法求解數學模型，結構柔順性關于設計變量靈敏采用以下列式計算：

式中u_i表示第i個單元的位移向量；

Ke_i表示第i個單元的單元剛度矩陣，

B表示單元應變矩陣；

D表示彈性模量矩陣；

μ表示泊松比；

結構柔順性關于設計變量靈敏轉化為：

。

4.根據權利要求1所述的基于選區激光熔化工藝的航空葉片拓撲優化設計方法，其特征在于，步驟S3包括如下子步驟：

S31、根據航空葉片形狀特點，為保證成型葉片外表面的形狀，設定增材制造方向為Z軸正方向，增材制造自支撐懸垂角度約束為與Z軸正方向成45°；

S32、設定SLM工藝最小成形尺寸約束為0.5mm；

S33、為保證氣動性能，設定航空葉片的外表面為非設計域、內部結構為設計域；

S34、航空葉片減重目標設為40％；

S35、拓撲優化求解，得到航空葉片拓撲優化結果。