[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

说明书

本发明涉及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，属于机械设计制造技术领域。其包括以下步骤：航空叶片静力学分析；构建基于变密度法的航空叶片拓扑优化数学模型；考虑SLM工艺约束的航空叶片拓扑优化设计；基于SLM工艺约束的航空叶片拓扑结果重构；采用有限元分析工具对航空叶片优化结果进行强度校核；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；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。本发明基于变密度法的拓扑优化方法、考虑增材制造的自支撑悬垂与最小尺寸约束，实现叶片拓扑优化设计；实现叶片内部结构的拓扑结果重构，获得全新的基于增材制造工艺的轻量化航空叶片结构。

技术领域

本发明涉及航空叶片优化设计，具体涉及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，属于机械设计制造技术领域。

背景技术

如图1所示，航空叶片是航空发动机的关键部件，传统叶片采用实心结构，存在重量大、离心力大、颤振、振动等问题，已经无法满足航空发动机的设计可靠性和低油耗的要求。因此，对叶片的轻量化和服役性能提出更高要求。

拓扑优化是一种可改善零件力学性能并实现结构轻量化的高效设计方法，但由于传统制造工艺的限制，导致航空叶片的拓扑优化设计受到极大制约。而选区激光熔化技术(Selective laser melting,SLM)，能够将复杂的三维问题转化为易于处理的二维问题，可以最大限度发挥拓扑优化作用，促进叶片创新性结构设计。

在零件拓扑优化设计阶段，现有多数研究仅考虑了SLM尺寸约束，但自支撑悬垂约束却鲜少涉及，导致拓扑零件存在较多的非自支撑悬垂结构，致使拓扑零件的增材制造过程产生较多支撑结构，增加了增材制造的时间以及后处理的难度。在零件拓扑优化结果重构设计阶段，多数研究根据零件拓扑优化结果、利用三维软件结合SLM工艺进行重新建模。而对于内部拓扑结构重构时，其结构多以孔洞结构为主，孔洞大小、位置无法准确确定，导致难以利用三维软件重新建模。

发明内容：

本发明解决的问题是：提供了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，能够实现航空叶片的轻量化设计、提高优化叶片的力学性能；同时考虑增材制造自支撑悬垂约束和最小尺寸约束对航空叶片进行拓扑优化设计，能够获得自支撑悬垂结构和高精度的成形尺寸。基于投影法与点云数据拟合的拓扑优化后叶片重构方法，可以解决拓扑优化后叶片内部结构孔洞三维重构建模问题，使得优化设计的航空叶片结构满足SLM工艺要求，有效降低拓扑优化后航空叶片增材制造过程的复杂度，减少金属粉末材料使用量，提高成形质量。

本发明所采用的的技术方案是：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，包括如下步骤：

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。

根据前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，其中，步骤S1包括如下子步骤：

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；

有限元结果分析，确定优化区域；

根据前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，其中，步骤S2包括如下子步骤：