考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构及其设计方法，所述叶片型腔结构包括蒙皮(1)、内部加强筋条(2)、叶尖(3)、叶片前缘(4)、叶片后缘(5)、叶根(6)和榫头(7)，所述内部加强筋条(2)包括主筋(8)和次筋(9)，所述叶片型腔结构以转轴为中心呈旋转结构，两条所述主筋(8)排列在内部加强筋条(2)中间，同时连接叶尖(3)和叶根(6)，所述次筋(9)分布在内部加强筋条(2)的内部，同时连接主筋(8)、叶片前缘(4)、叶片后缘(5)、叶尖(3)和叶根(6)。本发明专利技术考虑了鸟撞冲击过程中鸟撞位置及运动的过程，能够实现对材料的充分利用，同时空心风扇叶片质量得到有效降低。扇叶片质量得到有效降低。扇叶片质量得到有效降低。

【技术实现步骤摘要】
考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构及其设计方法


[0001]本专利技术涉及航空领域，特别是涉及一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构及其设计方法。

技术介绍

[0002]随着航空事业在近些年来高速的发展，空中交通流量不断增加，使得飞机发生鸟撞的风险日益增加。一旦出现鸟撞航空发动机的情况，后果非常严重。此外，航空发动机设计水平的提高也对发动机轻量化水平提出了新的要求，风扇叶片作为航空发动机最重要的组成部分之一，在空心风扇叶片轻量化设计时考虑其抗鸟撞性能的提高对航空发动机的安全具有重要意义。
[0003]目前空心风扇叶片主要通过超塑成形扩散焊工艺制作而成，由于加工工艺的限制，空心构型一般为“W”型，该种空心构型结构简单均匀，内部加强板从叶片根部贯穿至叶尖部分。然而，鸟撞叶片发生时，叶片各位置的受威胁程度不同，此构型不能根据鸟撞运动及冲击力的变化作出调整，导致空腔筋板材料的冗余填充。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构及其设计方法解决了目前空心风扇叶片未能充分考虑鸟撞位置及运动过程的影响，且空腔筋板结构整体均匀造成材料冗余的问题。
[0005]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构，所述叶片型腔结构包括蒙皮、内部加强筋条、叶尖、叶片前缘、叶片后缘、叶根和榫头，所述内部加强筋条包括主筋和次筋，所述叶片型腔结构以转轴为中心呈旋转结构，所述蒙皮铺设于结构表面，两条所述主筋排列在内部加强筋条中间，同时连接叶尖和叶根，所述次筋分布在内部加强筋条的内部，同时连接主筋、叶片前缘、叶片后缘、叶尖和叶根，所述叶片前缘为叶片旋转方向的前部区域，所述叶片后缘为叶片旋转方向的后部区域，所述叶尖为叶片远离转轴区域，所述叶根为叶片靠近转轴区域，且与榫头连接。
[0006]上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，根据鸟撞运动及冲击力的变化对空心风扇叶片型腔结构作出调整，能够实现对材料的充分利用，使得空心风扇叶片质量得到有效降低。
[0007]进一步地，主筋和次筋呈非均匀分布。
[0008]上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，由于鸟撞叶片发生时，叶片个地方的受威胁程度不同，若主筋和次筋均匀分布，则会造成筋板材料的冗余。
[0009]进一步地，叶片前缘的筋条比叶片后缘的筋条粗。
[0010]上述进一步方案的有益效果是：鸟撞发生时最先受到冲击的是叶片前缘，危险程度较高，因此筋条相对较粗，叶片后缘主要承受鸟体撞击后期的冲击力，承受载荷较小，因此筋条相对较细，防止叶片颤振失效。
[0011]进一步地，叶根和榫头连接部分通过格栅设计与材料填充进行局部加强。
[0012]上述进一步方案的有益效果是：对叶根和榫头之间的连接部分进行了局部加强，能够有效防止叶片根部发生断裂。
[0013]除此之外，本专利技术还采用的技术方案为：一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构的设计方法，所述方法包括以下步骤：
[0014]S1：对鸟撞风扇叶片过程进行高精度非线性仿真分析，选取不同鸟撞位置作为撞击点进行鸟撞模拟；
[0015]S2：基于鸟撞模拟获得撞击过程中冲击力的时程曲线，显示任意时刻风扇叶片受到的冲击力；
[0016]S3：根据鸟在叶片上的运动位置及叶片的响应，针对鸟撞不同叶高的n种工况，通过冲击力的时程曲线分别选取m个典型时刻的冲击力作为外载荷；
[0017]S4：以最小化应变能为目标，以叶片体积为约束，以m个典型时刻的冲击力外载荷为载荷，对风扇叶片进行多工况拓扑优化设计；
[0018]S5：删除风扇叶片有限元模型的低密度单元，保留高密度单元，对风扇叶片进行模型重构，判断拓扑优化后的重构模型与S1中的鸟撞模拟的构型是否一致，若叶片构型一致，则优化流程已收敛，结束优化设计，若叶片构型不一致，则优化流程未收敛，以重构后的模型返回S1中进行高精度非线性仿真分析，直到优化流程收敛为止，完成空心风扇叶片型腔结构的设计。
[0019]上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，考虑到鸟撞冲击过程中鸟撞位置及运动的过程，利用冲击力等效将非线性冲击问题转化为静力拓扑优化，实现在风扇叶片设计阶段引入抗鸟撞性能的提高。
[0020]进一步地，S4中多工况拓扑优化设计引入最大尺寸控制以及加筋特征控制方法，包括以下公式：
[0021][0022]其中，f(x)为结构柔顺度的目标函数，为第j个冲击工况的t时刻叶片响应所占权重，为刚度矩阵，x
i
为风扇叶片有限元模型单元密度，f
*
(x
i
)为风扇叶片有限元模型单元密度函数，为风扇叶片第j个冲击工况的t时刻位移场，上标T为矩阵的转置；
[0023][0024]其中，i为有限元模型单元编号，l为有限元模型单元编号数量，v为有限元模型中每个单元的体积，V
frac
为叶片的体积分数，v0为有限元模型中每个单元的初始体积；
[0025][0026]其中，为风扇叶片第j个冲击工况的t时刻所受冲击力的大小；
[0027][0028]其中，Ω
r
(y)为第y个最大尺寸控制区域，Ω为最大尺寸控制区域变量，为任意符号，∈为属于符号；
[0029]0<x
min
≤x
i
≤1
[0030]其中，x
min
为风扇叶片有限元模型单元密度最小值。
[0031]上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，对风扇叶片进行多工况拓扑优化，为得到筋条状的空腔布局，防止材料堆积的现象发生，引入最大尺寸控制。
附图说明
[0032]图1为一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构图。
[0033]其中：1、蒙皮；2、内部加强筋条；3、叶尖；4、叶片前缘；5、叶片后缘；6、叶根；7、榫头；8、主筋；9、次筋。
[0034]图2为一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构的设计方法流程图。
具体实施方式
[0035]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。
[0036]实施例1，如图1所示，一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构，所述叶片型腔结构包括蒙皮1、内部加强筋条2、叶尖3、叶片前缘4、叶片后缘5、叶根6和榫头7，所述内部加强筋条2包括主筋8和次筋9，所述叶片型腔结构以转轴为中心呈旋转结构，所述蒙皮1铺设于结构表面，两条所述主筋8排列在内部加强筋条2中间，同时连接叶尖3和叶根6，所述次筋9分布在内部加强筋条2的内部，同时连接主筋8、叶片前缘4、叶片后缘5、叶尖3和叶根6，所述叶片前缘4为叶片旋转方向的前部区域，所述叶片后缘5为叶片旋转方向的后部区域，所述叶尖3为叶片远离转轴区域，所述叶根6为叶片靠近转轴区域，且与榫头7连接。
[0037]主筋8和次筋9呈非均匀分布，叶片前缘4的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构，其特征在于，所述叶片型腔结构包括蒙皮(1)、内部加强筋条(2)、叶尖(3)、叶片前缘(4)、叶片后缘(5)、叶根(6)和榫头(7)，所述内部加强筋条(2)包括主筋(8)和次筋(9)，所述叶片型腔结构以转轴为中心呈旋转结构，所述蒙皮(1)铺设于结构表面，两条所述主筋(8)排列在内部加强筋条(2)中间，同时连接叶尖(3)和叶根(6)，所述次筋(9)分布在内部加强筋条(2)的内部，同时连接主筋(8)、叶片前缘(4)、叶片后缘(5)、叶尖(3)和叶根(6)，所述叶片前缘(4)为叶片旋转方向的前部区域，所述叶片后缘(5)为叶片旋转方向的后部区域，所述叶尖(3)为叶片远离转轴区域，所述叶根(6)为叶片靠近转轴区域，且与榫头(7)连接。2.根据权利要求1所述的考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构，其特征在于，所述主筋(8)和次筋(9)呈非均匀分布。3.根据权利要求1所述的考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构，其特征在于，所述叶片前缘(4)的筋条比叶片后缘(5)的筋条粗。4.根据权利要求1所述的考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构，其特征在于，所述叶根(6)和榫头(7)连接部分通过格栅设计与材料填充进行局部加强。5.一种考虑抗鸟撞性能的空心风扇叶片型腔结构的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：对鸟撞风扇叶片过程进行高精度非线性仿真分析，选取不同鸟撞位置作为撞击点进行鸟撞模拟；S2：基于鸟撞模拟获得撞击过程中冲击力的时程曲线，显示任意时刻风扇叶片受到的冲击力；S3：根据鸟在叶片上的运动位置及叶片的响应，针对鸟撞不同叶高的n种工况，通过冲击力的时程曲线分别选取m个典型时刻的冲击力作为外载荷；S4：以最小化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，周才华，徐胜利，高传伟，刘文虎，王明洲，邵跃，周演，王雁，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：