[发明专利]一种基于选区激光熔化工艺的航空叶片拓扑优化设计方法

权利要求书

1.一种基于选区激光熔化工艺的航空叶片拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、航空叶片静力学分析；

S2、构建基于变密度法的航空叶片拓扑优化数学模型；

S3、考虑SLM工艺约束的航空叶片拓扑优化设计；

S4、基于SLM工艺约束的航空叶片拓扑结果重构；

S5、采用有限元分析工具对航空叶片优化结果进行强度校核；

S6、采用增材制造过程仿真工具对拓扑优化后叶片进行SLM工艺的可行性分析；

S7、将优化设计后的航空叶片模型导入增材制造设计完成制造。

2.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化工艺的航空叶片拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤S1包括如下子步骤：

S11、设置航空叶片材料镍基高温合金718物性参数、添加边界约束条件、载荷工况，建立航空叶片有限元分析模型；

S12、有限元结果分析，确定优化区域。

3.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化工艺的航空叶片拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤S2包括如下子步骤：

S21、建立以柔度最小化为目标函数、单元密度为设计变量、体积分数为约束条件的拓扑优化数学模型，计算公式：

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}单元伪密度向量，即为拓扑优化设计变量；N叶片设计区域中可设计单元的数目；

Compli叶片整体结构的柔顺性，柔顺性最小化表示结构刚度最大；

f_i为体积力；t_i为边界面积力(注：本文主要考虑叶片所承受的压力)；

V_i表示第i个单元的体积；V₀表示整个叶片结构的体积；

△为优化时指定去除质量的百分比；

η_min为密度下限，以避免整体刚度矩阵的奇异性；

j＝J₁,J₂,…,J_M表示非设计单元在整体单元的排号，且这些单元的伪密度始终保持1；

σ_ij为应力张量，δε_ij表示与σ_ij相应的虚应变张量；

δu_i表示虚位移；

为叶片静力平衡方程；

S22、采用基于梯度的数学规划法求解数学模型，结构柔顺性关于设计变量灵敏采用以下列式计算：

式中u_i表示第i个单元的位移向量；

Ke_i表示第i个单元的单元刚度矩阵，

B表示单元应变矩阵；

D表示弹性模量矩阵；

μ表示泊松比；

结构柔顺性关于设计变量灵敏转化为：

。

4.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化工艺的航空叶片拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤S3包括如下子步骤：

S31、根据航空叶片形状特点，为保证成型叶片外表面的形状，设定增材制造方向为Z轴正方向，增材制造自支撑悬垂角度约束为与Z轴正方向成45°；

S32、设定SLM工艺最小成形尺寸约束为0.5mm；

S33、为保证气动性能，设定航空叶片的外表面为非设计域、内部结构为设计域；

S34、航空叶片减重目标设为40％；

S35、拓扑优化求解，得到航空叶片拓扑优化结果。