一种复合材料叶片冷态叶型的计算方法

技术领域

本发明涉及一种叶片冷态叶型的计算方法，具体涉及一种复合材料叶片冷态叶型的计算方法。

背景技术

在用于飞行器的喷气式发动机工作过程中，风扇叶片对气流做功，使得能量有机械能转换为推力，但高速旋转的叶片承受着很高的机械应力，因此必须严格的控制叶片的重量，其中一个办法就是部分的或全部的采用各向异性的树脂基复合材料来制造叶片。为了提高树脂基复合材料叶片的做功效率，使得能量能够高效转换，需要这些叶片在工作状态下的形状与设计形状达到最大程度的一致。

但是，在叶片实际工作中，叶片由于受到离心力、气体力和温度载荷的作用，会发生变形。从而使叶片在工作状态的形状（热态形状）与安装状态的形状（冷态形状）不一致，导致叶片的实际工作状态与设计状态之间发生偏差，降低了能量转换效率。

为了解决上述问题，使各向异性的复合材料叶片的热态形状与设计形状保持最大程度的一致性，从而达到最佳性能，就需要对叶片的热态叶型通过计算得到叶片的冷态叶型，保证冷态叶型在上述载荷作用下变形后的热态叶型与设计形状达到最大程度的一致。

复合材料是宏观各向异性的，即复合材料的性能具有方向性，沿着纤维方向的力学性能明显不同与垂直于纤维方向的力学性能，例如用于制备叶片的树脂基纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料或短纤维增强复合材料等。在现有的计算方法中，未考虑材料性能方向发生变化导致的分析模型中材料性能与真实材料性能不匹配的问题，导致分析模型失真，最终获得的冷态模型不准确。

发明内容

针对上述问题，提供一种复合材料叶片冷态叶型的计算方法，在有限元模型中对单元建立局部单元坐标系，以规定单元的力学性能方向，以解决由于未考虑复合材料各向异性导致的叶片冷态叶型计算不准确的问题。

本发明提供了一种复合材料叶片冷态叶型的计算方法，包括：

1）确定需计算的复合材料叶片，获取叶片的设计热态叶型的几何模型、设计状态下的载荷文件和所述叶片所用复合材料的性能数据；

2）对所述设计热态叶型的几何模型进行网格划分，以构建设计热态叶型有限元模型，并将所述复合材料的性能数据赋予对应的所述设计热态叶型有限元模型的单元中；

3）对所述设计热态叶型有限元模型的所述单元，根据各所述单元的节点编号，建立局部单元坐标系，并赋予对应的所述单元，以完成所述设计热态叶型有限元模型的建立；

4）根据所述载荷文件，对完成建立的所述设计热态叶型有限元模型施加载荷，并施加约束条件，开展有限元分析，得到计算结果，提取所述设计热态叶型变形后各所述单元的变形量；

5）将步骤4）中各所述单元的变形量反向叠加到所述设计热态叶型有限元模型对应的所述单元的节点坐标上，更新所述单元的节点坐标，获得初始冷态有限元模型；

6）在存在所述载荷和所述约束条件的情况下，对所述初始冷态有限元模型开展有限元分析，获取过渡热态有限元模型；

7）获取所述过渡热态有限元模型的所述单元的节点的坐标值，并减去所述设计热态叶型有限元模型中对应的所述单元的节点的坐标值，得到所述过渡热态有限元模型与所述设计热态叶型有限元模型对应的各所述单元节点坐标的偏差值；

判定各所述单元节点坐标的偏差值中绝对值最大的偏差值是否小于阈值，若是，则进入步骤9），否则进入步骤8）；

8）将各所述单元节点的偏差值叠加至所述初始冷态有限元模型的对应所述单元的节点上，得到第二冷态有限元模型，并回到步骤6），并将步骤6）中的所述初始冷态有限元模型更新为所述第二冷态有限元模型；

9）最终冷态有限元模型为所述初始冷态有限元模型，输出所述最终冷态有限元模型，根据所述最终冷态有限元模型，计算获得叶片冷态结构模型。

进一步地，步骤6）还包括，在开展有限元分析前，根据更新后的所述单元的节点的坐标，重新建立所述初始冷态有限元模型的所述单元的局部单元坐标系，并赋予所述初始冷态有限元模型对应的所述单元。

进一步地，步骤6）中，所述载荷为保留的步骤4）中所施加的所述载荷，所述约束条件为保留的步骤4）中所施加的所述约束条件。

进一步地，步骤6）中，所述载荷为保留的步骤4）中所施加的所述载荷，所述约束条件为再次施加的约束条件。

进一步地，步骤1）中，所述载荷文件包括气体力分布载荷文件、旋转角速度和温度分布载荷文件，步骤4）中，所述载荷包括气体力载荷、离心载荷和温度分布载荷。

进一步地，步骤9）还包括，对所述最终冷态有限元模型，提取气动叶身部分的表面节点，通过气动造型和结构造型，计算获得叶片冷态结构模型。

进一步地，步骤7）中的所述阈值为0.001mm。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序

运行时执行以上所述的复合材料叶片冷态叶型的计算方法。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如以上所述的复合材料叶片冷态叶型的计算方法。

本发明还提供一种叶片，采用以上所述的复合材料叶片冷态叶型的计算方法计算获得。

本发明的有益效果是：

1、本发明的复合材料叶片冷态叶型的计算方法，对有限元分析模型中的各单元建立了局部单元坐标系，考虑了有限元分析模型变化后引起的材料性能方向的变化，解决了由于复合材料各向异性导致的冷态叶型计算不准确的问题。

2、本发明的复合材料叶片冷态叶型的计算方法，初始冷态有限元模型建立和获取最终冷态有限元模型的迭代步中，均对所有单元的局部单元坐标系进行更新，保证了更新后的有限元模型单元位置与单元坐标系准确对应。

3、本发明的复合材料叶片冷态叶型的计算方法，在获取最终冷态有限元模型的迭代步中，保留气体力载荷、离心载荷和温度分布载荷，从而避免由于有限元模型的变化引起的气体力载荷和温度分布载荷施加偏差。

4、本发明的复合材料叶片冷态叶型的计算方法，采用偏差值修正冷态有限元模型，以保证冷态模型的准确性。

附图说明

本发明的以上内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1为本发明一实施例的复合材料叶片冷态叶型的计算方法的流程图；

图2为本发明一实施例的一个单元的局部单元坐标系建立的示意图；

图3为本发明一实施例的所有单元的局部单元坐标系建立的示意图；

图4为本发明一实施例的初始冷态有限元模型的单元坐标系重新建立前的示意图；

图5a为本发明一实施例的初始冷态有限元模型的各单元的局部单元坐标系重新建立后的示意图；

图5b为本发明一实施例的初始冷态有限元模型的各单元的局部单元坐标系重新建立后的放大示意图；

图6a为在未重建局部单元坐标系的情况，根据计算获取的最终冷态有限元模型计算得到的热态有限元模型与初始的设计热态叶型有限元模型的对比示意图；

图6b为在未重建局部单元坐标系的情况，根据计算获取的最终冷态有限元模型计算得到的热态有限元模型与初始的设计热态叶型有限元模型的另一对比示意图；

图7a为本发明一实施例的根据本发明的计算方法获取的最终冷态有限元模型，计算得到的热态有限元模型与初始的设计热态叶型有限元模型的对比示意图；

图7b为本发明一实施例的根据本发明的计算方法获取的最终冷态有限元模型，计算得到的热态有限元模型与初始的设计热态叶型有限元模型的另一对比示意图；

图8为本发明一实施例的对叶片施加的约束条件的示意图。

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

图1为根据本发明的一个实施例提供的复合材料叶片冷态叶型的计算方法的流程示意图。如图1所示，该实施例的计算方法包括以下步骤：

S101：确定需计算的复合材料叶片，获取叶片的设计热态叶型的几何模型、设计状态下的载荷文件和叶片所用复合材料的性能数据。

需说明的是，载荷文件可以包括一种或多种合适的载荷文件，例如气体力分布载荷文件、旋转角速度和温度分布载荷文件等。本实施例中包括气体力分布载荷文件、旋转角速度和温度分布载荷文件。

S102：对设计热态叶型的几何模型进行网格划分，构建设计热态叶型有限元模型，并将复合材料的性能数据赋予对应的设计热态叶型有限元模型的单元中。

S103：对设计热态叶型有限元模型的单元，根据各单元的节点编号，建立局部单元坐标系，并赋予对应的单元，以完成设计热态叶型有限元模型的建立。

图2为根据本发明的一个实施例的一个单元的局部单元坐标系建立的示意图；图3为根据本发明的一个实施例的所有单元的局部单元坐标系建立的示意图（图中浅色部分为局部单元坐标系）。如图2~3所示，可以理解的是，复合材料的性能具有方向性，对设计热态叶型有限元模型中的各单元建立对应的局部单元坐标系，用以规定各单元代表的复合材料力学性能的方向，从而解决在通过有限元分析计算冷态叶型的过程中，未考虑有限元模型变化导致有限元模型的单元的空间位置和方位发生变化而引起的材料性能方向的变化，而使得有限元模型中的材料性能与真实材料性能不匹配，计算得到的冷态叶型不准确的问题。

S104：根据载荷文件，对完成建立的设计热态叶型有限元模型施加载荷，并施加约束条件，开展有限元分析，得到计算结果，提取设计热态叶型变形后各单元的变形量。

可以理解的是，根据S101中获取的载荷文件施加相应载荷，本实施例中施加气体力载荷、离心载荷和温度分布载荷。

S105：将步骤S104中各单元的变形量反向叠加到设计热态叶型有限元模型对应的单元的节点坐标上，更新单元的节点坐标，获得初始冷态有限元模型。

S106：在存在所述载荷和所述约束条件的情况下，对初始冷态有限元模型开展有限元分析，获取过渡热态有限元模型。

该步骤可以包括，在开展有限元分析前，根据更新后的单元的节点的坐标，重新建立初始冷态有限元模型的单元的局部单元坐标系，并赋予初始冷态有限元模型对应的单元。

图4为根据本发明的一个实施例的初始冷态有限元模型的单元坐标系重新建立前的示意图。如图4所示，单元坐标系重新建立前，由于单元的位置调整，存在与单元坐标系不对应的问题。

图5a为根据本发明的一个实施例的初始冷态有限元模型的各单元的局部单元坐标系重新建立后的示意图（图中浅色部分为局部单元坐标系），图5b为根据本发明的一个实施例的初始冷态有限元模型的各单元的局部单元坐标系重新建立后的放大示意图。如图5a~5b所示，针对初始冷态有限元模型，重新建立单元的局部单元坐标系，可以避免单元的位置调整后，与单元坐标系不对应的问题，以实现初始冷态有限元模型的各单元与单元坐标系准确对应。

图6a为在未重建局部单元坐标系的情况，根据计算获取的最终冷态有限元模型计算得到的热态有限元模型与初始的设计热态叶型有限元模型的对比示意图，图6b为在未重建局部单元坐标系的情况，根据计算获取的最终冷态有限元模型计算得到的热态有限元模型与初始的设计热态叶型有限元模型的另一对比示意图。如图6a~6b所示（浅色线条所构造的为初始热态叶型，深色线条所构造的为计算出的热态有限元模型），在未重新建立局部单元坐标系的情况下获得最终冷态有限元模型，根据计算获得的最终冷态有限元模型，计算出热态有限元模型，并与初始的设计热态叶型有限元模型对比，差异明显（浅色线条和深色线条明显可区分）。

图7a为根据本发明的一个实施例的计算方法获取的最终冷态有限元模型，计算得到的热态有限元模型与初始的设计热态叶型有限元模型的对比示意图；图7b为根据本发明的一个实施例的计算方法获取的最终冷态有限元模型，计算得到的热态有限元模型与初始的设计热态叶型有限元模型的另一对比示意图。如图7a~7b所示（浅色线条所构造的为初始热态叶型，深色线条所构造的为计算出的热态有限元模型），在重新建立局部单元坐标系的情况下获得最终冷态有限元模型，根据计算获得的最终冷态有限元模型，计算出热态有限元模型，并与初始的设计热态叶型有限元模型对比，基本无差异（浅色线条与深色线条基本重合）；可见，重新建立局部单元坐标系提高了冷态叶型计算的准确性。

该步骤可以进一步包括，保留在步骤S104中施加的载荷且保留约束条件。

需说明的是，如图8所示，约束条件可包括对叶片榫头工作面施加垂直于该面的法向位移约束以及沿着发动机轴向的位移约束（图中浅色线条部分所示），以限制叶片的移动。

可以理解的是，通过保留所述气体力载荷、离心载荷和温度分布载荷，避免由于有限元模型的变化引起的气体力载荷和温度分布载荷施加偏差。

S107：获取过渡热态有限元模型的单元的节点的坐标值，并减去设计热态叶型有限元模型中对应的单元节点的坐标值，得到过渡热态有限元模型与设计热态叶型有限元模型对应的各单元节点坐标的偏差值；

判定各单元节点坐标的偏差值中绝对值最大的偏差值是否小于阈值，若是，则进入S109，否则进入步骤S108。

S108：将各单元节点的偏差值叠加至初始冷态有限元模型的对应单元的节点上，得到第二冷态有限元模型，并回到步骤S106，并将步骤S106中的初始冷态有限元模型更新为第二冷态有限元模型。

采用过渡热态有限元模型与设计热态叶型有限元模型对应的各单元节点的坐标的偏差值修正初始冷态有限元模型，可更好地保证最终冷态有限元模型的准确性。

S109：最终冷态有限元模型为初始冷态有限元模型，输出最终冷态有限元模型，根据最终冷态有限元模型，计算获得叶片冷态结构模型。

需说明的是，阈值可采用任何合适的值，该实施例中，阈值为0.001mm。

该步骤可以包括，对最终冷态有限元模型，提取气动叶身部分的表面节点，通过气动造型和结构造型，计算获得叶片冷态结构模型。

另一方面，提供了一种存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序运行时执行该实施例的复合材料叶片冷态叶型的计算方法。

另一方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现该实施例的复合材料叶片冷态叶型的计算方法。

另一方面，提供一种叶片，采用该实施例的复合材料叶片冷态叶型的计算方法计算获得。

在另一个实施例中，该实施例的计算方法与图1所示的复合材料叶片冷态叶型的计算方法相似，有所不同的是，S106可以包括，保留在S104中施加的载荷，并再次施加所述约束条件。

这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分）的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。