论文摘要：基于应力有限元分析的空心风扇叶片结构优化研究

采用超塑成型/扩散连接工艺制造的钛合金宽弦空心风扇叶片，是目前先进航空涡扇发动机的关键结构件之一。经过多年的发展，这种叶片在试验和实际应用过程中，表现出了良好的气动和结构性能。目前，英国罗•罗公司和美国普•惠公司走在了该项技术的发展前沿，并仍在积极探索新型空心风扇叶片的结构形式。相对而言，目前国内在此方面的研究工作还处于起步阶段。因此，开展空心风扇叶片结构优化设计研究，尤其是对于我国当前高涵道比涡扇发动机的研制，具有重要和积极的工程意义。空心风扇叶片的结构设计本身是一个牵涉到结构、气动、强度、工艺制造和试验的多学科综合优化设计问题，但是，全面考虑如此众多的因素，将给探索性的研究工作带来较大的困难。为此，本文仅在结构强度分析学科上，对空心风扇叶片的结构优化设计方法、策略、流程和存在的具体问题展开研究。本文在总结现有经验和结论的基础上，从几何特征、工艺条件和模型构造等方面出发，首先确定了描述空心风扇叶片几何构型的限制条件，并提出了一组结构特征参数及相应的确定方法和表达形式。这是对空心风扇叶片进行结构设计研究的前提条件。根据叶片截面拓扑构型相似的特点，提出了采用“积木式”逐层构建有限元网格的方法，自动化地建立和更新空心风扇叶片的参数化有限元模型。这是优化设计过程得以进行的基础。由于结构特征参数的不同取值和组合，对叶片结构强度具有重要的影响，而掌握这种影响的规律及其大小对于空心风扇叶片的结构设计，是尤为重要的。本文采用正交试验设计的方法，进行了结构特征参数对叶片强度的影响分析，并总结了设计中特征参数取值的规律和范围。空心风扇叶片缩尺模型的优化设计结果表明，这些参数取值的范围和规律具有建设性的普遍指导意义。采用正交试验设计方法对优化设计问题进行预分析，减少了设计变量的数量，提高了优化设计效率，效果很显著。即使仅在强度分析学科上进行空心风扇叶片的结构优化设计，也可能会存在不同设计阶段面临不同复杂度的设计问题。本文采用多轮正交试验设计、序列二次规划算法和带精英策略的Pareto排序遗传算法(NSGA-II算法)，形成了空心风扇叶片结构优化设计的可供工程应用的系统性方法和流程，解决了不同设计复杂度的优化问题，在设计效率和稳健性之间实现了较好的平衡。采用优化设计的预分析较好地解决了序列二次规划算法对初始值敏感和难以全局寻优的缺陷问题，并总结了设计变量初值的选取范围和规律。对于多目标优化设计问题，采用带精英策略的Pareto排序遗传算法，并结合径向基函数插值近似替代模型，大大地提高了设计效率和寻优稳健性。这对于以后处理多学科复杂优化设计问题，将是一个可行的解决方案。由于轴向圆弧形榫头是空心风扇叶片结构不可分割的一部分，其结构设计尤其是接触面与榫头底面的夹角，对接触区域和榫槽喉部的应力水平具有重要影响。本文首先通过燕尾榫连结构二维平面应变有限元接触分析，探讨了接触面角度对接触区域和榫槽喉部应力的影响规律，然后通过在空心风扇叶片优化设计结果的基础上，建立燕尾型圆弧榫连结构的三维有限元接触分析模型，并对榫连结构进行设计分析。这样通过先叶身后榫连结构的分步设计方法，较好地解决了在空心风扇叶片结构和榫连结构一体化设计中，由于接触分析的高度非线性和庞大的有限元模型规模导致的计算代价过于高昂的问题。本文通过上述的研究工作，形成了基于SPF/DB工艺的空心风扇叶片结构描述方法及其优化设计和榫连结构设计分步实施的可供工程应用的方法和流程。

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