CN106599359A - 利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法及发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，包括以下步骤：1)进行空心叶片的气动设计，获得空心叶片的叶面造型；2)在实体叶片模型内部不同位置用不同参数的球形单元来代替实体结构得到球形网状空心叶片；3)建立有限元模型，对其进行仿真计算得到仿真结果；4)基于步骤3）的仿真结果，优化球形网状空心叶片的球形网状结构；5)对步骤4）得到的优化后的球形网状空心叶片重复步骤3）的仿真计算，如果不满足性能要求，则返回步骤4）重新调整球形网状结构，如果满足性能要求，则进行下一步骤；6)通过增材制造的方法，制造优化后的球形网状空心叶片。本发明的有益效果是:提高了叶片的各项性能，并减轻叶片质量。
Description
技术领域
本发明涉及叶片的设计方法，尤其涉及一种利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法及发动机。
背景技术
航空发动机中的叶片包括风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片等，叶片的研制在航空发动机发展中占有重要地位，叶片主要应用于风扇、压气机、涡轮。近年来，随着结构设计、制造工艺、材料的性能等相关技术的提高，世界著名的航空发动机设计与制造公司开发和验证了多种先进叶片技术 ,如空心叶片、复合材料叶片等,有些已经应用到现役或在研的航空发动机风扇和压气机上,并取得了很好的效果。
随着增材制造技术的产生和成熟，传统的结构设计、加工工艺正在被改变。增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。该技术能够实现具有高性能复杂结构致密金属零件的快速、无模具、近净成形，尤其适用于大型复杂结构零件的整体制造，增材制造的出现，颠覆了传统加工工艺对机械设计的限制，这使得机械设计领域发生巨大变化。利用增材制造技术制造航空发动机有诸多优点，如：可一体化制造高复杂度的发动机零部件；提高发动机零部件的使用温度；便于调整增材制造零部件的性能；可开发梯度材料等。
如何更好地提高叶片的各项性能，并减轻叶片质量，将会对航空发动机的设计及制造产生深远影响。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法及发动机。
本发明提供了一种利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，包括以下步骤：
1) 进行空心叶片的气动设计，获得空心叶片的叶面造型；
2) 对步骤1）得到的空心叶片的叶面造型生成实体叶片模型，并进行离心力仿真模拟实验，根据实体叶片模型的仿真结果，在实体叶片模型内部不同位置用不同参数的球形单元来代替实体结构得到球形网状空心叶片；
3) 对步骤2）得到的球形网状空心叶片建立有限元模型，对其进行仿真计算得到仿真结果；
4) 基于步骤3）的仿真结果，优化球形网状空心叶片的球形网状结构；
5) 对步骤4）得到的优化后的球形网状空心叶片重复步骤3）的仿真计算，如果不满足性能要求，则返回步骤4）重新调整球形网状结构，如果满足性能要求，则进行下一步骤；
6) 通过增材制造的方法，制造优化后的球形网状空心叶片。
作为本发明的进一步改进，还包括以下步骤：
7) 根据设计需求，对步骤6）增材制造所得的球形网状空心叶片进行热处理和表面加工；
8) 利用实验的方法，对完成热处理和表面加工的球形网状空心叶片进行测试，如不满足要求，回到步骤1），如果满足要求，则设计完成。
作为本发明的进一步改进，在步骤4)中，通过增添或者删减球形单元的个数，调整每个球形单元的参数，调整多个球形单元之间的接触关系，从而优化球形网状结构。
作为本发明的进一步改进，步骤4)中的球形单元包括球、球壳、含有孔洞的球、含孔洞的球壳、球的拓扑结构中的任意一种或其任意组合。
作为本发明的进一步改进，步骤4)中的所述球形单元的参数包括球形单元的内径、外径、位置坐标、材质、密度、球壳表面是否有孔洞、球壳的拓扑结构。
作为本发明的进一步改进，步骤4)中的所述多个球形单元之间的接触关系包括相交、相切、相离，如果多个球形单元之间为相交关系，相交的部分为全部删除或者全部保留或者部分保留。
作为本发明的进一步改进，在步骤3)中，对步骤2）得到的球形网状空心叶片建立有限元模型，对其进行强度、振动、传热、疲劳寿命的性能仿真计算。
作为本发明的进一步改进，步骤3)中所述的建立球形网状空心叶片的有限元模型，包括使用超单元技术简化球形单元，建立球形单元数据库，形成标准的基本超单元，通过超单元之间的关系简化建模过程，降低模型的自由度总数，缩短计算所需时间。
作为本发明的进一步改进，球形网状结构延伸至球形网状空心叶片的表面，使球形网状空心叶片由球形网状结构单独构成。
本发明还提供了一种发动机，包括采用上述中任一项所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法设计而成的球形网状空心叶片。
本发明的有益效果是：通过上述方案，提出了针对增材制造技术而设计的球形网格结构，实现了航空发动机叶片从结构设计，到模型建立，到仿真分析，再到制造的对接，球形单元具有结构简单，机械性能优异的特点，通过调整球形单元的各项参数，其排列堆叠所形成的网状结构可以在重量、强度、振动特性、传热等方面性能得到大幅提高, 提高了叶片的各项性能，并减轻叶片质量。
附图说明
图1是本发明一种利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法设计得到的球形网状空心叶片的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其建立在增材制造技术上，通过空心球形单元的排列，形成三维空间的空心网状结构，来代替实体结构或其他传统空心结构，通过设计每个空心球形单元的位置、外径、内径、材质等参数，以及多个球形单元间的接触关系，从而实现叶片的重量、强度、振动、传热、气动等性能的优化。此方法设计的球形网状结构可以利用增材制作技术实现，可显著提高叶片性能、降低叶片重量。在没有现成的专有仿真工具的现状下，此方法可以采用超单元技术处理球单元结构，建立有限元模型，大幅缩短叶片结构设计、建模仿真、结构优化所需的时间。本发明同时包括使用该方法设计的叶片，以及包括上述叶片的航空发动机及燃气轮机。
一种利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，具体包括以下步骤：
1) 进行空心叶片的气动设计，获得空心叶片的叶面造型，具体为，进行风扇、压气机叶片或涡轮叶片的气动设计，获得叶片的叶面造型。设计时可较少考虑叶片的加工工艺、强度、振动、传热等因素的限制；
2) 对步骤1）得到的空心叶片的叶面造型生成实体叶片模型，并进行离心力仿真模拟实验，根据实体叶片模型的仿真结果，在实体叶片模型内部不同位置用不同参数的球形单元来代替实体结构得到球形网状空心叶片；
3) 对步骤2）得到的球形网状空心叶片建立有限元模型，对其进行仿真计算得到仿真结果；
4) 基于步骤3）的仿真结果，优化球形网状空心叶片的球形网状结构；
5) 对步骤4）得到的优化后的球形网状空心叶片重复步骤3）的仿真计算，如果不满足性能要求，则返回步骤4）重新调整球形网状结构，如果满足性能要求，则进行下一步骤，具体为，对步骤4）得到的优化后的叶片模型重复步骤3）的仿真计算，如果不满足性能要求，则返回步骤4重新调整球形网状结构的参数，直到满足重量、强度、震动、传热的要求；
6) 通过增材制造的方法，制造优化后的球形网状空心叶片。
还包括以下步骤：
7) 根据设计需求，对步骤6）增材制造所得的球形网状空心叶片进行热处理和表面加工；
8) 利用实验的方法，对完成热处理和表面加工的球形网状空心叶片进行测试，如不满足要求，回到步骤1），如果满足要求，则设计完成。
在步骤4)中，通过增添或者删减球形单元的个数，调整每个球形单元的参数，调整多个球形单元之间的接触关系，从而优化球形网状结构。
步骤4)中的球形单元包括球、球壳、含有孔洞的球、含孔洞的球壳、球的拓扑结构中的任意一种或其任意组合。
步骤4)中的所述球形单元的参数包括球形单元的内径、外径、位置坐标、材质、密度、球壳表面是否有孔洞、球壳的拓扑结构。
步骤4)中的所述多个球形单元之间的接触关系包括相交、相切、相离，如果多个球形单元之间为相交关系，相交的部分为全部删除或者全部保留或者部分保留。
在步骤3)中，对步骤2）得到的球形网状空心叶片建立有限元模型，对其进行强度、振动、传热、疲劳寿命的性能仿真计算。
步骤3)中所述的建立球形网状空心叶片的有限元模型，包括使用超单元技术简化球形单元，建立球形单元数据库，形成标准的基本超单元，通过超单元之间的关系简化建模过程，降低模型的自由度总数，缩短计算所需时间。
球形网状结构延伸至球形网状空心叶片的表面，使球形网状空心叶片由球形网状结构单独构成。
一种发动机，包括采用上述中任一项所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法设计而成的球形网状空心叶片，该发动机优选为航空发动机或者是燃气轮机。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)进行空心叶片的气动设计，获得空心叶片的叶面造型；
2)对步骤1）得到的空心叶片的叶面造型生成实体叶片模型，并进行离心力仿真模拟实验，根据实体叶片模型的仿真结果，在实体叶片模型内部不同位置用不同参数的球形单元来代替实体结构得到球形网状空心叶片；
3)对步骤2）得到的球形网状空心叶片建立有限元模型，对其进行仿真计算得到仿真结果；
4)基于步骤3）的仿真结果，优化球形网状空心叶片的球形网状结构；
5)对步骤4）得到的优化后的球形网状空心叶片重复步骤3）的仿真计算，如果不满足性能要求，则返回步骤4）重新调整球形网状结构，如果满足性能要求，则进行下一步骤；
6)通过增材制造的方法，制造优化后的球形网状空心叶片。
2.根据权利要求1所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于：还包括以下步骤：
7)根据设计需求，对步骤6）增材制造所得的球形网状空心叶片进行热处理和表面加工；
8)利用实验的方法，对完成热处理和表面加工的球形网状空心叶片进行测试，如不满足要求，回到步骤1），如果满足要求，则设计完成。
3.根据权利要求1所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于：在步骤4)中，通过增添或者删减球形单元的个数，调整每个球形单元的参数，调整多个球形单元之间的接触关系，从而优化球形网状结构。
4.根据权利要求3所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于：步骤4)中的球形单元包括球、球壳、含有孔洞的球、含孔洞的球壳、球的拓扑结构中的任意一种或其任意组合。
5.根据权利要求3所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于：步骤4)中的所述球形单元的参数包括球形单元的内径、外径、位置坐标、材质、密度、球壳表面是否有孔洞、球壳的拓扑结构。
6.根据权利要求3所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于：步骤4)中的所述多个球形单元之间的接触关系包括相交、相切、相离，如果多个球形单元之间为相交关系，相交的部分为全部删除或者全部保留或者部分保留。
7.根据权利要求1所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于：在步骤3)中，对步骤2）得到的球形网状空心叶片建立有限元模型，对其进行强度、振动、传热、疲劳寿命的性能仿真计算。
8.根据权利要求1所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于：步骤3)中所述的建立球形网状空心叶片的有限元模型，包括使用超单元技术简化球形单元，建立球形单元数据库，形成标准的基本超单元，通过超单元之间的关系简化建模过程，降低模型的自由度总数，缩短计算所需时间。
9.根据权利要求1所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法，其特征在于：球形网状结构延伸至球形网状空心叶片的表面，使球形网状空心叶片由球形网状结构单独构成。
10.一种发动机，其特征在于：包括采用权利要求1至9中任一项所述的利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法设计而成的球形网状空心叶片。
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Effective date of registration: 20201010 Address after: 518000 Room 303, Building 5, Huiyuan, Southern University of Science and Technology, No.1088 Xueyuan Avenue, Taoyuan Street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong Province Patentee after: SHENZHEN YIDONG AVIATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Nanshan District Xili school in Shenzhen City, Guangdong province 518000 Road No. 1088 Patentee before: Southern University of Science and Technology |
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Effective date of registration: 20220613 Address after: 314000 No. 1282-185, Dongfang North Road, Youchegang Town, Xiuzhou District, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee after: Jiaxing Yidong Energy Co.,Ltd. Address before: 518000 Room 303, Building 5, Huiyuan, Southern University of Science and Technology, No.1088 Xueyuan Avenue, Taoyuan Street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong Province Patentee before: SHENZHEN YIDONG AVIATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20230714 Address after: 712, 7th floor, 288 Yangcun Road, choujiang street, Yiwu City, Jinhua City, Zhejiang Province (self declaration) Patentee after: Fengte (Zhejiang) new material Co.,Ltd. Address before: 314000 No. 1282-185, Dongfang North Road, Youchegang Town, Xiuzhou District, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee before: Jiaxing Yidong Energy Co.,Ltd. |
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