针对空间弯扭叶片的点阵随形填充与优化设计方法

本发明涉及航空发动机叶片结构设计领域，具体涉及针对空间弯扭叶片的点阵随形填充与优化设计方法。

背景技术：

1、随着航空发动机对推重比和结构效率要求的不断提高，航空发动机叶片作为核心的载荷传递与能量转换部件，其轻量化设计受到广泛关注。传统减重手段如薄壁、空心化方案往往削弱局部刚度。点阵结构因其可设计的拓扑结构及优异的力学性能，逐渐成为航空发动机叶片轻量化的优选方案。

2、然而现有的直接建模、参数化建模及常规点阵填充方法主要适用于规则结构，难以适应复杂弯扭叶片的空间轮廓，且容易造成几何完整性缺失和拓扑不连续性。此外，叶片服役时面对离心载荷与气动载荷的强耦合作用，均布的点阵密度填充无法适应叶片内复杂的载荷传递路径，且节点处的应力集中是限制点阵承载能力的核心瓶颈。

3、因此，亟需一种能够实现复杂弯扭叶片随形填充，且能兼顾复杂服役载荷匹配的建模与优化方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中，传统规则点阵结构填充方法难以适用于空间弯扭叶片轮廓，容易产生几何畸变与拓扑不连续的问题，以及常规密度点阵填充无法匹配叶片多物理场耦合载荷传递路径，导致单胞节点产生严重的应力集中、结构承载效率低下的技术瓶颈。本发明提出一种针对空间弯扭叶片的点阵随形填充与优化设计方法，其主要内容是通过自适应映射完成空间点阵填充叶片建模，保证点阵填充结构在复杂弯扭叶片内的拓扑连续性与几何完整性。随后结合simp拓扑优化、贝塞尔曲线支柱优化以及圆角过渡节点优化，实现叶片轻量化与高性能的协同提升。

2、本发明所采取的技术方案具体为：

3、一方面，本发明提供一种针对空间弯扭叶片的点阵随形填充与优化设计方法，包括以下步骤：

4、采用多轮廓截面扫掠切除对目标叶片进行空心处理，获取目标空心叶片模型，将目标空心叶片模型中经空心处理得到的空心部分作为点阵填充设计域；

5、提取目标空心叶片模型的目标映射曲面，根据点阵填充设计域的轮廓方位在目标映射曲面上选取适应的参考切面并在参考切面上建立三维点阵阵列模型；

6、采用自适应多切面阵列映射定位策略，将三维点阵阵列模型分段映射至目标映射曲面，生成点阵填充结构，结合布尔运算生成拓扑连续性的初始点阵填充叶片；

7、结合宏观点阵填充设计域拓扑优化与微观点阵单胞几何优化的协同方案，对初始点阵填充叶片进行协同优化设计，获得优化后的点阵填充叶片。

8、进一步地，所述提取目标空心叶片模型的目标映射曲面，根据点阵填充设计域的轮廓方位在目标映射曲面上选取适应的参考切面并在参考切面上建立三维点阵阵列模型，具体为：

9、提取目标空心叶片模型中压力面与吸力面的中截面作为目标空心叶片模型的目标映射曲面，根据目标叶片弯扭程度在目标映射曲面上自适应定位多个参考切面，然后在参考切面上建立连续的三维点阵阵列模型。

10、进一步地，所述采用自适应多切面阵列映射定位策略，将三维点阵阵列模型分段映射至目标映射曲面，生成点阵填充结构，结合布尔运算生成拓扑连续性的初始点阵填充叶片，具体包括以下步骤：

11、a1：采用自适应多切面策略，将三维点阵阵列模型按参考切面划分为若干区域，然后，采用坐标变换算法对每个区域上的三维点阵阵列模型进行分段映射，分别映射至目标映射曲面的对应区域，得到分段映射后的三维点阵阵列模型外轮廓面；

12、具体为：提取三维点阵阵列模型外轮廓面作为原始曲面；

13、以目标映射曲面的几何特征为基准，所述坐标变换算法，具体为：

14、（2）；

15、其中，为坐标变换矩阵，为目标映射曲面的齐次坐标，为原始曲面的其次坐标；

16、a2：将分段映射后的三维点阵阵列模型外轮廓面实体化，形成点阵填充结构；

17、a3：将点阵填充结构与目标空心叶片模型进行布尔运算，生成拓扑连续性的初始点阵填充叶片。

18、进一步地，所述结合宏观点阵填充设计域拓扑优化与微观点阵单胞几何优化的协同方案，对初始点阵填充叶片进行协同优化设计，获得优化后的点阵填充叶片，具体包括以下步骤：

19、b1：对宏观点阵填充设计域进行拓扑优化，求解初始点阵填充叶片中点阵填充设计域的最优点阵填充材料密度分布结果，并划分为若干个不同的密度区域；

20、所述拓扑优化，基于拓扑优化simp变密度法实现，以最小结构柔度和最小局部应力为目标，构建多目标优化数学模型，并以最小材料体积分数约束为约束条件，求解初始点阵填充叶片中点阵填充设计域的最优点阵填充材料密度分布；

21、基于有限元分析法，将点阵填充设计域划分为个单元，所述多目标优化数学模型具体为：

22、（3）；

23、（4）；

24、其中，为点阵填充设计域的点阵填充材料密度矢量，为点阵填充设计域单元的点阵填充材料最小密度尺度，为点阵填充设计域的单元序号，为点阵填充设计域中单元的点阵填充材料密度尺度，为单元个数，为多目标优化数学模型最小值，为多目标优化数学模型，为点阵填充设计域的点阵填充材料应力的目标函数，为点阵填充设计域的点阵填充材料初始结构应力值，为点阵填充设计域的点阵填充材料结构柔度的目标函数，为点阵填充设计域的点阵填充材料初始刚度值，为点阵填充设计域体积分数约束，为点阵填充设计域总体积，为点阵填充设计域的单元体积，为点阵填充设计域体积分数上限，为点阵填充设计域位移向量，为点阵填充设计域刚度，为点阵填充设计域的单元位移向量，为点阵填充设计域的单元刚度，为点阵填充设计域单元的最大等效应力，为转置符号；

25、所述划分为若干个不同的密度区域的具体方法为：根据初始点阵填充叶片中点阵填充设计域的最优点阵填充材料密度分布结果，将初始点阵填充叶片内部的点阵填充设计域划分为低密度区、过渡区与高密度区三个密度区域；

26、b2：对点阵填充设计域内点阵单胞的支柱轮廓及节点进行几何构型优化，得到优化后的点阵单胞；

27、点阵单胞的支柱轮廓的几何构型优化具体为：采用贝塞尔曲线重构点阵单胞支柱的轮廓侧线；

28、点阵单胞的节点的几何构型优化具体为：引入圆角过渡设计，圆角半径

r公式：

29、（5）；

30、其中，为圆角半径，为支柱半径，为单胞尺寸，为圆角系数且取整数；

31、b3：将优化后的点阵单胞按照划分的密度区域进行分区填充，获得优化后的点阵填充叶片；

32、具体的：针对不同密度区域设置不同微观点阵单胞的支柱半径，填充优化后的微观点阵单胞。

33、另一方面，本技术提出一种电子设备，包括：一个或多个处理器，以及存储器，所述存储器用于存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行所述的针对空间弯扭叶片的点阵随形填充与优化设计方法。

34、第三方面，本技术提出一种计算机可读存储介质，其存储有可执行的指令，所述指令当被执行时使得处理器执行所述的针对空间弯扭叶片的点阵随形填充与优化设计方法。

35、第四方面，本技术提出一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述的针对空间弯扭叶片的点阵随形填充与优化设计方法。

36、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

37、1、本发明成功实现了在高度弯扭、薄壁的航空发动机叶片内部进行高质量点阵填充，且保证了拓扑结构的完整性与连续性。不仅如此，结构优化方法有限降低建模带来的应力集中或应力畸变现象，保证结构的优异的载荷传递路径。

38、2、本发明在叶片结构轻量化设计基础上，采用结合宏观与微观的协同优化方法，为实现高性能轻量化叶片提供了参考方案。

39、3、本发明的方法具有良好的普适性，对于复杂弯扭以及薄壁结构的点阵填充问题，以及结构的高性能轻量化设计提供参考意义。