[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

本發明涉及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，屬于機械設計制造技術領域。其包括以下步驟：航空葉片靜力學分析；構建基于變密度法的航空葉片拓撲優化數學模型；考慮SLM工藝約束的航空葉片拓撲優化設計；基于SLM工藝約束的航空葉片拓撲結果重構；采用有限元分析工具對航空葉片優化結果進行強度校核；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；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。本發明基于變密度法的拓撲優化方法、考慮增材制造的自支撐懸垂與最小尺寸約束，實現葉片拓撲優化設計；實現葉片內部結構的拓撲結果重構，獲得全新的基于增材制造工藝的輕量化航空葉片結構。

技術領域

本發明涉及航空葉片優化設計，具體涉及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，屬于機械設計制造技術領域。

背景技術

如圖1所示，航空葉片是航空發動機的關鍵部件，傳統葉片采用實心結構，存在重量大、離心力大、顫振、振動等問題，已經無法滿足航空發動機的設計可靠性和低油耗的要求。因此，對葉片的輕量化和服役性能提出更高要求。

拓撲優化是一種可改善零件力學性能并實現結構輕量化的高效設計方法，但由于傳統制造工藝的限制，導致航空葉片的拓撲優化設計受到極大制約。而選區激光熔化技術(Selective laser melting,SLM)，能夠將復雜的三維問題轉化為易于處理的二維問題，可以最大限度發揮拓撲優化作用，促進葉片創新性結構設計。

在零件拓撲優化設計階段，現有多數研究僅考慮了SLM尺寸約束，但自支撐懸垂約束卻鮮少涉及，導致拓撲零件存在較多的非自支撐懸垂結構，致使拓撲零件的增材制造過程產生較多支撐結構，增加了增材制造的時間以及后處理的難度。在零件拓撲優化結果重構設計階段，多數研究根據零件拓撲優化結果、利用三維軟件結合SLM工藝進行重新建模。而對于內部拓撲結構重構時，其結構多以孔洞結構為主，孔洞大小、位置無法準確確定，導致難以利用三維軟件重新建模。

發明內容：

本發明解決的問題是：提供了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，能夠實現航空葉片的輕量化設計、提高優化葉片的力學性能；同時考慮增材制造自支撐懸垂約束和最小尺寸約束對航空葉片進行拓撲優化設計，能夠獲得自支撐懸垂結構和高精度的成形尺寸。基于投影法與點云數據擬合的拓撲優化后葉片重構方法，可以解決拓撲優化后葉片內部結構孔洞三維重構建模問題，使得優化設計的航空葉片結構滿足SLM工藝要求，有效降低拓撲優化后航空葉片增材制造過程的復雜度，減少金屬粉末材料使用量，提高成形質量。

本發明所采用的的技術方案是：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，包括如下步驟：

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。

根據前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，其中，步驟S1包括如下子步驟：

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；

有限元結果分析，確定優化區域；

根據前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，其中，步驟S2包括如下子步驟：