(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211079821.X (22)申请日 2022.09.05 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 刘茜　陈若琦　胡殿印　王荣桥　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 江亚平　顾炜 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 一种树脂基复合材料 空心风扇叶片材料-结 构一体化设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种树脂基复合材料空心风扇 叶片材料 ‑结构一体化设计方法， 在该方法中， 提 出了一种空心风扇叶片的参数化 建模方法； 通过 一种有限元模型的网格划分策略实现自动更新 铺层参数和结构尺寸参数， 完成空心风扇叶片结 构高效力学性能分析； 通过开展复合材料强度和 模量的参数灵敏度分析， 获取关键变量及主效应 图； 结合主效应图得到强度和模量的选择范围， 根据选择范围从材料数据库中选择若干材料； 基 于多岛遗传算法和蔡 ‑吴失效准则， 以空心风扇 叶片的模态 性能、 强度性能和刚度性能为优化约 束， 对空心风扇叶片总体积进行优化设计达到减 重目的。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115438427 A 2022.12.06 CN 115438427 A 1.一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料 ‑结构一体化设计方法， 其特征在于， 包括以 下步骤： 步骤1： 利用三维建模软件， 导入叶片构型曲线数据点， 利用样条生成曲线， 然后通过曲 线组构建曲面， 最后利用缝合 实现实心 风扇叶片建模， 然后引入基准面和偏 置量， 实现空心 风扇叶片的几何模型参数化建模； 步骤2： 运行仿真软件， 导入步骤1中建立的空心风扇叶片和聚甲基丙烯酰亚胺泡沫夹 芯实体模型， 进行几何模型处理、 网格 自动划分、 铺层属 性赋予、 载荷和边界条件施加的操 作， 并开始结构力学性能分析计算， 得到蔡 ‑吴强度因子 分布、 叶片伸长量、 各阶模态频率并 生成命令脚本； 所述铺 层属性赋予包括铺 层角度选择； 步骤3： 利用多学科设计软件实现参数化几何模型自动更新模块的集成： 提取关键参数 控制文件中空心 风扇叶片的关键参数作为设计变量， 完成步骤2中的命令脚本的集成， 所述 命令脚本读取设计变量中的关键参数， 完成自身程序的更新， 利用所述命令脚本完成空心 风扇叶片在有限元分析软件中的自动分区， 实现参数在三维建模软件模型、 命令脚本和有 限元模型中的传递； 步骤4： 在步骤3所建立的参数传递方法上， 对复合材料的材料强度和模量的参数灵敏 度分析， 获取关键变量及 主效应图； 结合所述主效应图得到强度和模量的选择范围， 根据选 择范围从材 料数据库中选择若干材 料； 步骤5： 在步骤1～步骤4中得到的变量变化范围的基础上， 以步骤1中空心风扇叶片的 几何参数、 步骤2中的有限元模型中的铺层角度、 步骤3确定的复合材料关键参数为设计变 量， 蔡‑吴强度因子、 叶片伸长量和模态频率为优化约束， 叶片质量函数为优化目标建立优 化模型， 采用多岛遗传算法对空心风扇叶片铺 层角度和空心结构尺寸进行优化设计。 2.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料 ‑结构一体化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤1 中， 所述几何模型参数化建模 具体包括： 从叶尖到空腔底部高度 定义五个参考基准平面分别为M0‑M4， 五个截面之间的高度间隔分别为H1‑H4； 在每个截面内 将叶片轮廓进行偏置， 偏置量分别是G1‑G5， 从而形成五个封闭曲线L0‑L4， 对五个封闭曲线 进行缝合以完成建模。 3.根据权利要求2所述的一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料 ‑结构一体化设计方 法， 其特征在于： 所述几何模型参数化建模的处理及范围约束准则如下： 将H2‑H4的大小用参 数E约束， H1的大小用参数H约束； 其中H的取值范围应该为叶身高度的7％～17％， H的值小 于叶身高度的7％使得平面靠近叶尖的曲面， 无法生成轮廓曲线， H的值大于叶身高度的 17％， 使得M1曲面与M2曲面重合； E值小 于叶身高度的9％导致轮廓曲线无 法缝合成实体， E值 大于叶身高度的25％会 超过叶身高度范围； 空心内腔各截面曲线所围成的面积保持基本一致， 以形 成规则的泡沫填充内腔； 将L4曲 线偏置量 G5设为参数G， L0‑L3的偏置量依次递减， 分别为0.9G、 0.85G、 0.82G、 0.76G， 限制G的 取值范围为截面叶宽的1 1％～19％。 4.根据权利要求3所述的一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料 ‑结构一体化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤2中， 所述网格自动划分具体包括： 首先将叶片的空心区域和实心 区域分割开， 分割平面为M4平面； 然后将叶片 中部平滑 区域与两侧叶边构型异形区域分割 开， 确定分割平面所需的点均为结构中点， 在三维建模软件中获取并输入到命令脚本中。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115438427 A 25.根据权利要求4所述的一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料 ‑结构一体化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤2中， 所述铺层角度选择的约束准则 具体包括： (1)铺层均衡对称 原则： 铺层的顺序关于中面对称， 铺层角度保持均衡， ‑45度的铺层数目与+45度保持相同； (2)按照受载情况的铺层取向原则： 0度铺层承受单轴拉伸载荷的能力较强； 90度铺层承受 剪切载荷的能力较强； ±45度铺层 承受扭力载荷的能力较强； 根据实际受载情况， 选择铺层 方式； (3)铺层顺序原则： 采用错序铺放的方式降低层间应力， 提高强度性能， 0度铺层不铺 放于构件上 下表面。 6.根据权利要求5所述的一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料 ‑结构一体化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤4中的关键变量包括： 横向拉伸强度YT、 纵向弹性模量E1和横向弹 性模量E2， 通过所述主效应图得到所述关键变量的选择范围： 横向拉伸强度YT>40MPa、 纵向 弹性模量E1>160GPa、 横向弹性模量E2<9000Mpa。 7.根据权利要求6所述的一种树脂基复合材料空心风扇叶片材料 ‑结构一体化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤5中， 优化约束的界限采用以下方法确定： 所述蔡 ‑吴强度因子大 于或等于1， 代表复合材料结构发生损伤， 不满足强度要求； 若小于1， 表示复合材料结构不 发生失效， 满足强度要求； 复合材料的安全系数不低于1.5， 即蔡 ‑吴强度因子小于0.66； 最 大变形量与叶身高度比值小于1％； 叶片的共 振裕度至少为10％。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115438427 A 3