[发明专利]利用球形网状结构填充的空心叶片的设计方法及发动机

说明书

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。

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。