本發(fā)明涉及工業(yè)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，具體涉及一種基于各向異性及約束自適應(yīng)的航空葉片優(yōu)化增材制造方法。

背景技術(shù)：

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的生命，為飛機(jī)提供了動(dòng)力，是飛機(jī)的核心部位，它的性能會(huì)嚴(yán)重影響到無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在運(yùn)行過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)，尤其在執(zhí)行比較復(fù)雜的工作任務(wù)時(shí)，由于葉片可能會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方向的載荷的影響，還有被其他飛行物撞擊致使葉片損壞的情況，因此對(duì)其強(qiáng)度等性能必須極為重視。隨著飛機(jī)的快速更新迭代，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的性能提出了飛行可靠度高、安全性好、經(jīng)濟(jì)適用型以及輕量化和推力大的高標(biāo)準(zhǔn)，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的發(fā)展空間更加嚴(yán)苛。主要體現(xiàn)為葉片受力復(fù)雜、應(yīng)力大等情況。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的形狀呈現(xiàn)復(fù)雜的空間曲面外形，傳統(tǒng)的加工方式周期較長(zhǎng)，應(yīng)用增材制造加工方式既可以快速加工產(chǎn)品，還能利用增材制造的優(yōu)勢(shì)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)葉片設(shè)計(jì)的理論研究，計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體力學(xué)技術(shù)的結(jié)合對(duì)葉片的流場(chǎng)的計(jì)算精度不斷提高，數(shù)值模擬技術(shù)在螺旋槳?dú)鈩?dòng)特性分析上得到了廣泛應(yīng)用，降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)的依賴性，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)省了人力物力。通過(guò)對(duì)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)最大限度地降低了葉片質(zhì)量且對(duì)螺旋槳的動(dòng)力學(xué)性能無(wú)影響。隨著快速發(fā)展的增材制造技術(shù)，尤其是對(duì)一些跟薄壁類零件相似的復(fù)雜零件提供了全新的加工方式，各方面性能參數(shù)指標(biāo)滿足要求，而且大大縮短加工周期。由于螺旋槳葉片的結(jié)構(gòu)形狀是由空間自由曲面彎曲構(gòu)成，葉片各處的厚度都在變化，各處厚度不同，這樣的復(fù)雜幾何形狀，因沒(méi)有對(duì)稱平面，不存在真正意義上對(duì)稱，從槳根到槳尖材料厚度遞減，最終得到葉片的結(jié)構(gòu)形狀。傳統(tǒng)加工工藝需要很多道工藝才能加工出來(lái)，且要浪費(fèi)很多母材，若用增材制造可快速打印完成，達(dá)到節(jié)能、減材的目的。但是，當(dāng)前的增材制造方法過(guò)于普適，針對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)往往采用統(tǒng)一的打印方式，大大弱化了3d打印出來(lái)的葉片的強(qiáng)度等性能，同時(shí)由于各個(gè)部位的強(qiáng)度要求并不一致，所以需要針對(duì)某些關(guān)鍵部位采取強(qiáng)化措施，以提升該部位的性能，這些關(guān)鍵性問(wèn)題目前都難以得到有效解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，而提供一種基于各向異性及約束自適應(yīng)的航空葉片優(yōu)化增材制造方法。

2、本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：一種基于各向異性及約束自適應(yīng)的航空葉片優(yōu)化增材制造方法，其采用的3d打印裝置具有磁場(chǎng)約束結(jié)構(gòu)和超聲波約束結(jié)構(gòu)；

3、所述方法包括如下步驟：

4、步驟一：根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片模型，在增材制造智能系統(tǒng)的有限元分析模塊中進(jìn)行有限元分析，分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片各部分強(qiáng)度要求以及最優(yōu)的材料堆積方向：

5、步驟二：在實(shí)時(shí)分析得到每個(gè)部位的最優(yōu)的材料堆積方向后，計(jì)算得到每個(gè)部位的三個(gè)閾值，分別是僅靠改進(jìn)材料堆積的強(qiáng)度、融合改進(jìn)材料堆積及磁場(chǎng)約束的強(qiáng)度，以及綜合改進(jìn)材料堆積、磁場(chǎng)約束和超聲波約束下的強(qiáng)度；

6、步驟三：獲得三個(gè)閾值強(qiáng)度后，將三個(gè)閾值強(qiáng)度與航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所需的最小安全性能進(jìn)行比較，判斷該部位需采用的增材制造方式；

7、步驟四：確定航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片該部位的增材制造方式后，進(jìn)行自適應(yīng)打印制造；

8、若航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所需的最小安全性能在第一個(gè)閾值范圍內(nèi)，則直接開(kāi)始進(jìn)行3d打印，完成優(yōu)化增材制造流程；

9、若航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所需的最小安全性能在第一閾值到第二閾值強(qiáng)度之間，或是第二閾值強(qiáng)度到第三閾值強(qiáng)度之間，實(shí)時(shí)計(jì)算出所需要的磁場(chǎng)約束強(qiáng)度和/或超聲波強(qiáng)度，并完成優(yōu)化增材制造流程。

10、其中，步驟一中，首先在仿真系統(tǒng)上分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片各部位的最優(yōu)堆積方向，使材料堆疊方向會(huì)隨著結(jié)構(gòu)的不同而做出相應(yīng)調(diào)整，會(huì)極大提升葉片的強(qiáng)度性能。

11、優(yōu)選的，所述的最優(yōu)堆積方向的判斷依據(jù)是tsai-hill失效準(zhǔn)則。各向異性材料在不同方向上的力學(xué)性能存在顯著差異，tsai-hill失效準(zhǔn)則基于最大應(yīng)變能理論發(fā)展而來(lái)，它考慮了材料在不同主方向上的強(qiáng)度特性以及不同應(yīng)力分量之間的相互作用，通過(guò)一個(gè)綜合性的表達(dá)式來(lái)判斷材料是否發(fā)生失效，準(zhǔn)確地評(píng)估結(jié)構(gòu)的失效風(fēng)險(xiǎn)，且能有效描述增材制造結(jié)構(gòu)的各向異性力學(xué)性能。

12、其中，所述磁場(chǎng)約束結(jié)構(gòu)為在3d打印機(jī)噴口外纏繞的至少一組勵(lì)磁線圈；超聲波約束結(jié)構(gòu)為在3d打印機(jī)噴口旁安裝的超聲波約束儀。融合磁場(chǎng)約束、超聲波約束，能夠細(xì)化合金內(nèi)部的微觀組織，增強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的強(qiáng)度性能。

13、由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所需的最小安全性能每個(gè)部位各不相同，因此，在步驟二和步驟三對(duì)每個(gè)部位分別進(jìn)行計(jì)算，提供針對(duì)性的增材制造方式，實(shí)現(xiàn)各向異性及約束自適應(yīng)。其中，第一個(gè)閾值范圍內(nèi)，表示僅依靠基于各向異性的拓?fù)鋬?yōu)化增材制造方式即可完成該部位的優(yōu)化增材制造流程，因此可以直接開(kāi)始進(jìn)行3d打印，完成優(yōu)化增材制造流程；第一閾值到第二閾值強(qiáng)度之間，表示僅依靠基于各向異性的拓?fù)鋬?yōu)化增材制造方式無(wú)法滿足目標(biāo)部位的強(qiáng)度需求，需結(jié)合一定的磁場(chǎng)約束增強(qiáng)所打印的部位的強(qiáng)度性能，根據(jù)所需要的強(qiáng)度性能需要計(jì)算出所需要的磁場(chǎng)約束強(qiáng)度，以提升該部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；第二閾值強(qiáng)度到第三閾值強(qiáng)度之間，表示僅依靠基于各向異性的拓?fù)鋬?yōu)化增材制造方式融合磁場(chǎng)約束無(wú)法滿足目標(biāo)部位的強(qiáng)度需求，需綜合改進(jìn)材料堆積、磁場(chǎng)約束和超聲波約束，根據(jù)所需要的強(qiáng)度性能需要計(jì)算出所需要的磁場(chǎng)約束強(qiáng)度和超聲波約束強(qiáng)度，以提升該部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

14、本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明首先會(huì)通過(guò)基于模型設(shè)計(jì)方法，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行有限元分析，判斷分析航空葉片上不同區(qū)域獲取最優(yōu)強(qiáng)度的材料堆積方向，并按照該方向進(jìn)行打印，同時(shí)比對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所需的最小安全性能，自適應(yīng)改變磁場(chǎng)約束力及超聲波強(qiáng)度大小，細(xì)化合金內(nèi)部的微觀組織，以使得所加工出的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于各向異性及約束自適應(yīng)的航空葉片優(yōu)化增材制造方法，其特征在于：其采用的3d打印裝置具有磁場(chǎng)約束結(jié)構(gòu)和超聲波約束結(jié)構(gòu)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于各向異性及約束自適應(yīng)的航空葉片優(yōu)化增材制造方法，其特征在于：所述的最優(yōu)堆積方向的判斷依據(jù)是tsai-hill失效準(zhǔn)則。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于各向異性及約束自適應(yīng)的航空葉片優(yōu)化增材制造方法，其特征在于：所述磁場(chǎng)約束結(jié)構(gòu)為在3d打印機(jī)噴口外纏繞的至少一組勵(lì)磁線圈。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于各向異性及約束自適應(yīng)的航空葉片優(yōu)化增材制造方法，其特征在于：所述超聲波約束結(jié)構(gòu)為在3d打印機(jī)噴口旁安裝的超聲波約束儀。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于各向異性及約束自適應(yīng)的航空葉片優(yōu)化增材制造方法，其采用的3D打印裝置具有磁場(chǎng)約束結(jié)構(gòu)和超聲波約束結(jié)構(gòu)；本發(fā)明首先會(huì)通過(guò)基于模型設(shè)計(jì)方法，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行有限元分析，判斷分析航空葉片上不同區(qū)域獲取最優(yōu)強(qiáng)度的材料堆積方向，并按照該方向進(jìn)行打印，同時(shí)比對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所需的最小安全性能，自適應(yīng)改變磁場(chǎng)約束力及超聲波強(qiáng)度大小，細(xì)化合金內(nèi)部的微觀組織，以使得所加工出的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)研發(fā)人員：張伊諾,耿燕飛,任燕,徐梓軍,王紫璇,汪芷妤,蔣妤,肖弘宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：溫州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15