[发明专利]一种涡扇发动机混合结构风扇叶片结构设计优化方法

说明书

一种涡扇发动机混合结构风扇叶片结构设计优化方法，其能避免单一代理模型进行优化时往往得不到结构设计的最优解的问题。其包括确定混合结构风扇叶片的优化模型，采用试验设计方法在关键构型参数确定的设计空间内生成样本点，基于鸟撞仿真分析确定关键构型参数对应的约束条件函数值和目标函数值，借此生成样本库；基于样本库筛选出优化中应用的至少两个代理模型，用于优化过程的响应预测；基于前述优化模型，通过至少两个代理模型并行迭代寻优，得到各个代理模型预测出的最优解，然后对最优解进行鸟撞分析验算，若不满足对应的约束条件或收敛准则，则将最优解加入样本库，并借此更新至少两个代理模型，再重新进行并行迭代寻优，直到满足收敛准则。

技术领域

本发明涉及一种风扇叶片的设计方法，尤其涉及风扇叶片的结构设计优化方法。

背景技术

现代涡扇航空发动机正朝着大涵道比、大推力、低油耗、低噪声、高安全性、高可靠性等方向不断发展。为了增大发动机涵道比，需要采用更大尺寸的风扇叶片，使得发动机风扇段的重量占发动机总重量的比重不断提升。因此，大尺寸轻质风扇叶片成为大涵道比民用航空发动机成功与否的关键。

目前国际上成功应用于产品的轻质大涵道比风扇叶片方案包括RR公司的纯钛合金空心风扇叶片和GE公司的复合材料-钛合金包边风扇叶片。如果用等效空心率(1-实际叶片重量/相同尺寸的实心钛合金叶片重量)来衡量轻质风扇叶片的减重效果，RR公司全钛合金空心叶片的等效空心率已经达到40％，而GE公司的复合材料-钛合金包边叶片也已达到了60％以上等效空心率。由于有更好的减重效果，复合材料与金属的混合结构，已成为各大发动机公司轻质风扇叶片发展的主流。

抗冲击性能是评估混合结构风扇叶片结构好坏的重要指标。为增强风扇叶片的抗冲击性能，通常希望混合结构叶片金属部分的占比越大越好，而金属部分的占比越大则会导致叶片等效空心率降低。由于叶片外型通常为了保证气动性能而维持不变，因此，为设计出各方面性能更优的混合结构风扇叶片，就需要对复合材料与金属的构型参数进行优化。

叶片抗冲击性能评估可通过试验和仿真分析来进行。试验方法虽然结果可靠，但叶片加工与试验周期长且成本高，因此在叶片设计阶段，通常采用成本较低的仿真分析方法进行抗冲击性能评估。目前叶片鸟撞分析主要采用显式动力学分析工具LS-DYNA对叶片在经历鸟撞后的运动过程进行仿真，仿真过程耗时较长，即使采用高性能计算平台进行计算也需要大约10小时；此外，进行显式动力学建模过程较为复杂，自动化难度很高，采用传统的自动优化方法进行优化，难度大，时间周期长，设计成本高。

目前工程上也有基于代理模型的优化方法，代理模型可以牺牲一定计算精度为代价，将复杂的仿真分析过程用简单的输入输出响应关系来模拟，可解决时间成本和自动化的问题。但由于叶片鸟撞分析属于高度非线性问题，采用目前常用的代理模型进行预测精度较差，直接通过代理模型进行优化往往得不到结构设计的最优解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡扇发动机混合结构风扇叶片结构设计优化方法，其能避免单一代理模型由于预测精度差而导致进行优化时往往得不到结构设计的最优解的问题。

根据本发明的涡扇发动机混合结构风扇叶片结构设计优化方法包括：

确定混合结构风扇叶片的优化模型，其中选取叶片的关键构型参数作为设计变量，并且选取抗冲击性能参数和叶片质量分别作为约束条件和目标函数；

采用试验设计方法在所述关键构型参数确定的设计空间内生成样本点，并对初始样本点进行混合结构风扇叶片建模，然后进行鸟撞仿真分析，基于鸟撞仿真分析确定关键构型参数对应的约束条件函数值和目标函数值，借此生成样本库；

基于样本库建立多种代理模型，并基于代理模型误差分析，筛选出优化中应用的至少两个代理模型，用于优化过程的响应预测；以及

基于前述优化模型，通过所述至少两个代理模型并行迭代寻优，得到各个代理模型预测出的最优解，即最优构型参数、约束条件函数值和目标函数值；