第27卷第7期 航空动力学报 Vol 27 No. 7 2012年7月 Journal of Aerospace Power Jul.2012 文章编号:1000-8055(2012)07-1630-08 树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 胡殿印,彭苗娇2,王荣桥,冯笑男1 (1.北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191; 2.中国航空工业集团公司中航商用飞机发动机有限责任公司,上海200240) 要:在深入研究树脂基复合材料的材料属性和设计准则的基础上,提出并建立了一种树脂基复合 材料空心风扇叶片的结构设计方法,并对叶片的强度和振动特性进行了研究,结果表明所提出的树脂基复合 材料空心风扇叶片的结枃设计是可行的,且对于提高风扇叶片的强度和减重起到了显著的效果.在此基础 上,以共振裕度为设计目标提出了树脂基复合材料风扇叶片优化设计的流程,解决了优化过程中学科间、应 用软件间的信息传递问题,并实现了叶片铺层顺序设计优化.结果表明:在满足强度约束条件的前提下,树脂 基复合材料空心风扇叶片较金属实心叶片质量减少了7888%,共振裕度增加了844%. 关键词:树脂基复合材料;风扇叶片;强度;振动;优化设计 中图分类号:V2324 文献标志码:A Optimization design of resin based composite fan blade HU Diarryin', PENG Miao-jiao2, WANG Rong-giao', FENG Xiao-nan' (1. School of Jet Propulsion Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China 2. Commercial Aircraft Engine Company, Limited Aviation Industry Corporation of China, Shanghai 200240, China) Abstract: Based on the study of the material properties and design criteria of resin-based composite, a structural design method of the resin-based composite material hollow fan blade was proposed, and then, the strength and vibration of the fan blade were studied. The results show that the resin-based composite material fan blade has better strength prop- erty and lighter weight than the traditional metal fan blade. Then an optimization design process of the resin matrix composite fan blade was established, during which the informa- tion transmissions of disciplines and application softwares were solved. Thus, the stacking sequence optimization design of the composite fan blade was achieved. It was verified that compared to the metal fan blade, the weight of the resin-based composite material fan blade decreased by 7&88% and the vibration margin increased by&44% Key words: resin-based composite material; fan blade; strength; vibration optimization design 风扇叶片是涡轮风扇发动机最具代表性的重相关.特别是近年来,由于先进制造技术的发展 要零件,涡扇发动机的性能与它的稳定工作密切先进复合材料的应用和计算机技术的飞跃使得风 收稿日期:2011-08-19 网络出版地址:htp://www.cnki.net/kcms/deti1/1.2297.V.20120801.1438.201207.1630027.html 基金项目:凡舟基金(20110401);教育部博士点基金(20111102120011) 作者简介:胡殿印(1980一),女,辽宁朝阳人,讲师,博士,主要从事航空发动机结构强度及可靠性研究 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第２７卷 第７期 ２０１２年 ７月 航空动力学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｏｗｅｒ Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２０１２ 文章编号：１０００－８０５５（２０１２）０７－１６３０－０８ 树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 胡殿印１，彭苗娇２，王荣桥１，冯笑男１ （１．北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京 １００１９１； ２．中国航空工业集团公司 中航商用飞机发动机有限责任公司，上海 ２００２４０） 摘 要：在深入研究树脂基复合材料的材料属性和设计准则的基础上，提出并建立了一种树脂基复合 材料空心风扇叶片的结构设计方法，并对叶片的强度和振动特性进行了研究，结果表明所提出的树脂基复合 材料空心风扇叶片的结构设计是可行的，且对于提高风扇叶片的强度和减重起到了显著的效果．在 此 基 础 上，以共振裕度为设计目标，提出了树脂基复合材料风扇叶片优化设计的流程，解决了优化过程中学科间、应 用软件间的信息传递问题，并实现了叶片铺层顺序设计优化．结果表明：在满足强度约束条件的前提下，树 脂 基复合材料空心风扇叶片较金属实心叶片质量减少了７８．８８％，共振裕度增加了８．４４％． 关 键 词：树脂基复合材料；风扇叶片；强度；振动；优化设计 中图分类号：Ｖ２３２．４ 文献标志码：Ａ 收稿日期：２０１１－０８－１９ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２２９７．Ｖ．２０１２０８０１．１４３８．２０１２０７．１６３０＿０２７．ｈｔｍｌ 基金项目：凡舟基金（２０１１０４０１）；教育部博士点基金（２０１１１１０２１２００１１） 作者简介：胡殿印（１９８０－），女，辽宁朝阳人，讲师，博士，主要从事航空发动机结构强度及可靠性研究． Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅｓｉｎ－ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆａｎｂｌａｄｅ ＨＵＤｉａｎ－ｙｉｎ１，ＰＥＮＧ Ｍｉａｏ－ｊｉａｏ２，ＷＡＮＧＲｏｎｇ－ｑｉａｏ１，ＦＥＮＧＸｉａｏ－ｎａｎ１ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＪｅｔＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ， ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＡｉｒｃｒａｆｔＥｎｇｉｎｅＣｏｍｐａｎｙ，Ｌｉｍｉｔｅｄ， ＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｒｅｓｉｎ－ｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ａｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｒｅｓｉｎ－ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｈｏｌｌｏｗ ｆａｎ ｂｌａｄｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎ，ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｎｂｌａｄｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｉｎ－ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｆａｎｂｌａｄｅｈａｓｂｅｔｔｅｒｓｔｒｅｎｇｔｈｐｒｏｐ－ ｅｒｔｙａｎｄｌｉｇｈｔｅｒｗｅｉｇｈｔｔｈａｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔａｌｆａｎｂｌａｄｅ．Ｔｈｅｎａｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｒｅｓｉｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆａｎｂｌａｄｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｄｕｒｉｎｇｗｈｉｃｈｔｈｅｉｎｆｏｒｍａ－ ｔｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｏｆｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｓｗｅｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｓｔａｃｋｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆａｎｂｌａｄｅｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｔｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｍｅｔａｌｆａｎｂｌａｄｅ，ｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｒｅｓｉｎ－ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｆａｎｂｌａｄｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ７８．８８％ ａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍａｒｇｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ８．４４％． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｎ－ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｆａｎｂｌａｄｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ 风扇叶片是涡轮风扇发动机最具代表性的重 要零件，涡扇发动机的性能与它的稳定工作密切 相关．特别是近年来，由于先进制造技术的发展、 先进复合材料的应用和计算机技术的飞跃使得风
第7期 胡殿印等:树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 1631 扇叶片的设计和制造进入一个全新的阶段 复合材案 如今,宽弦、无凸台、空心叶片是高性能发动 匹扇叶 机风扇叶片的发展方向.宽弦空心叶片具有轻质 量、高结构效率的优点,使航空发动机的综合性能 复合材料实心风扇叶 得到显著提高.与此同时,纤维增强树脂基复合材 料具有比强度高、比刚度大、阻尼特性好、疲劳寿 命长、材料品种多、结构可设计等特点,给风扇性 能的提高带来了新的希望.因此,先进复合材料宽 是 空心风扇叶片结构设计 弦空心风扇叶片将是大飞机发动机设计的关键 技术[ 改 当前,国内外民用航空发动机风扇转子叶片 片计复合材料空心风扇叶片 中,76%以上采用钛合金实心风扇叶片,20%左右 采用钛合金空心风扇叶片;而成功应用复合材料 风扇叶片并投入使用的只有通用(GE)公司生产 动要求 的GE90和GEnx系列发动机风扇转子叶片.国 内树脂基复合材料的应用也在不断扩大,在飞机 复合材料空心风扇叶片 实体模型 上的应用已从非承力件扩大到机翼结构等主承力 件,但是将树脂基复合材料用于发动机的研制工 图1复合材料风扇叶片结构设计流程 作,目前鲜见到报道 ig. 1 Design process of composite fan blade 树脂基复合材料风扇叶片的设计涉及气动、所以叶片的强度分析尤为重要.因此,本文以风 材料、结构、强度(包括共振、颤振、外物打伤)等诸扇叶片的强度和振动作为研究重点 多学科.本文基于气动、材料、结构强度等学科开1.2.1树脂基复合材料强度设计准则 展树脂基复合材料风扇叶片的优化设计方法研 究,探究利用树脂基复合材料的优异特性提高风 复合材料层合板的强度是建立在单层强度理 扇叶片的强度和振动特性的可行性,为未来先进论基础上的对于一种纤维增强的复合材料单层, 民用飞机发动机风扇叶片的研制提供技术储备 纤维和基体的性质、纤维体积比确定后,其材料主 具有重要的工程借鉴意义 方向的强度和工程弹性常数是通过实验唯一确定 的.这样就可以根据单层的应力状态和破坏模式, 1复合材料风扇叶片的结构设计 采取研究各向同性材料强度相同的方法建立单层 的强度理论.在复合材料层合板中各单层应力不 1.Ⅰ树脂基复合材料风扇叶片结构设计流程 同,一般应力高的单层先发生破坏,于是可以通过 本文提出了一套完整的树脂基复合材料风扇逐层破坏理论确定层合板的强度 片结构设计流程,如图1所示 本文在对复合材料风扇叶片的强度分析中采 主要包括:树脂基复合材料的选择,通过对树用蔡吴(Tsi-wu)失效判据作为复合材料单层 脂基复合材料特性的研究,确定适用于风扇叶片失效准则,其表达式为可 的树脂基复合材料;树脂基复合材料空心风扇叶 F10+F222+2F10101+ 片的结构设计,设计树脂基复合材料空心叶片的 Forit+Fg+ F2d.= 1 (1) 结构形式,通过对叶片的强度和振动特性分析验 式(1)中的F1,F2,F12,F6,F1,F2是与单层基本 证采用树脂基复合材料空心叶片提高性能和减轻 强度有关的6个强度参数;a1,a1,分别为纤维 质量的可行性和有效性 方向(也称纵向)正应力、垂直纤维方向(也称横 1.2树脂基复合材料风扇叶片的选材 向)正应力和切应力 风扇转子叶片作为发动机主要的功能转换零 蔡-吴失效判据既考虑了不同应力及相互作 件,如果叶片本身强度不足,工作时产生变形、翘用的影响,又考虑了单层拉压强度不同对材料破 曲或者折断,都将直接影响到发动机的工作性能、坏的影响,在复合材料结构强度分析研究和工程 安全可靠,甚至造成不同程度的故障和飞行事故,应用上使用最为广泛 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第７期 胡殿印等：树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 扇叶片的设计和制造进入一个全新的阶段． 如今，宽弦、无凸台、空心叶片 是 高 性 能 发 动 机风扇叶片的发展方向．宽弦空心叶片具有轻质 量、高结构效率的优点，使航空发动机的综合性能 得到显著提高．与此同时，纤维增强树脂基复合材 料具有比强度高、比刚度大、阻尼特性好、疲劳寿 命长、材料品种多、结构可设计等特点，给风扇性 能的提高带来了新的希望．因此，先进复合材料宽 弦空心风 扇 叶 片 将 是 大 飞 机 发 动 机 设 计 的 关 键 技术［１－４］ ． 当前，国内外民用航空发动机风扇转子叶片 中，７６％以上采用钛合金实心风扇叶片，２０％左右 采用钛合金空心风扇叶片；而成功应用复合材料 风扇叶片并投入使用的只有通用（ＧＥ）公 司 生 产 的 ＧＥ９０和 ＧＥｎｘ系列发动机风扇转子叶片．国 内树脂基复合材料的应用也在不断扩大，在飞机 上的应用已从非承力件扩大到机翼结构等主承力 件，但是将树脂基复合材料用于发动机的研制工 作，目前鲜见到报道． 树脂基复合材料风扇叶片的设计涉及气动、 材料、结构、强度（包括共振、颤振、外物打伤）等诸 多学科．本文基于气动、材料、结构强度等学科开 展树脂基 复 合 材 料 风 扇 叶 片 的 优 化 设 计 方 法 研 究，探究利用树脂基复合材料的优异特性提高风 扇叶片的强度和振动特性的可行性，为未来先进 民用飞机发动机风扇叶片的研制提供技术储备， 具有重要的工程借鉴意义． １ 复合材料风扇叶片的结构设计 １．１ 树脂基复合材料风扇叶片结构设计流程 本文提出了一套完整的树脂基复合材料风扇 叶片结构设计流程，如图１所示． 主要包括：树脂基复合材料的选择，通过对树 脂基复合材料特性的研究，确定适用于风扇叶片 的树脂基复合材料；树脂基复合材料空心风扇叶 片的结构设计，设计树脂基复合材料空心叶片的 结构形式，通过对叶片的强度和振动特性分析验 证采用树脂基复合材料空心叶片提高性能和减轻 质量的可行性和有效性． １．２ 树脂基复合材料风扇叶片的选材 风扇转子叶片作为发动机主要的功能转换零 件，如果叶片本身强度不足，工作时产生变形、翘 曲或者折断，都将直接影响到发动机的工作性能、 安全可靠，甚至造成不同程度的故障和飞行事故， 图１ 复合材料风扇叶片结构设计流程 Ｆｉｇ．１ Ｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆａｎｂｌａｄｅ 所以叶片的强度分析尤为重要［５］ ．因此，本文以风 扇叶片的强度和振动作为研究重点． １．２．１ 树脂基复合材料强度设计准则 复合材料层合板的强度是建立在单层强度理 论基础上的．对于一种纤维增强的复合材料单层， 纤维和基体的性质、纤维体积比确定后，其材料主 方向的强度和工程弹性常数是通过实验唯一确定 的．这样就可以根据单层的应力状态和破坏模式， 采取研究各向同性材料强度相同的方法建立单层 的强度理论．在复合材料层合板中各单层应力不 同，一般应力高的单层先发生破坏，于是可以通过 逐层破坏理论确定层合板的强度［５］ ． 本文在对复合材料风扇叶片的强度分析中采 用蔡－吴（Ｔｓａｉ－Ｗｕ）失效判据作为复合材料单层 失效准则，其表达式为［６］ Ｆ１１σ２ ｌ ＋Ｆ２２σ２ ｔ ＋２Ｆ１２σｌσｔ ＋ Ｆ６６τ２ ｌｔ ＋Ｆ１σｌ＋Ｆ２σｔ ＝１ （１） 式（１）中的Ｆ１１，Ｆ２２，Ｆ１２，Ｆ６６，Ｆ１，Ｆ２ 是与单层基本 强度有关的６个 强 度 参 数；σｌ，σｔ，τｌｔ 分 别 为 纤 维 方向（也称 纵 向）正 应 力、垂 直 纤 维 方 向（也 称 横 向）正应力和切应力． 蔡－吴失效判据既考虑了不同应力及相互 作 用的影响，又考虑了单层拉压强度不同对材料破 坏的影响，在复合材料结构强度分析研究和工程 应用上使用最为广泛． １３６１
1632 航空动力学报 第27卷 层合板的失效有两个特征状态,即第1层失 效和层合板最终失效,对应于层合板的两个特 强度即第1层失效强度和极限强度.发动机工作 时,风扇叶片要承受离心力、气动力、发动机振动 引起的交变力以及随机载荷等多种载荷,叶片将 产生拉伸应力、弯曲应力、扭转应力等,由于叶片 受力情况复杂,且为了保证叶片具有足够的强度 裕度,本文采用第1层失效强度作为复合材料风 扇叶片的强度准则 1.2.2树脂基复合材料的选择 图2风扇叶片有限元模型 Fig 2 Finite element model of fan blade 通过对树脂基复合材料特性的研究,考虑到 风扇叶片的受力特点和工作状态,本文采用连续采用8节点层状结构体单元 SOLID46作为复合 纤维增强树脂基复合材料作为风扇叶片的材料, 材料叶片的实体元,叶片叶尖最大厚度为2.7 表1给出了两种典型的国产连续纤维增强树脂基mm,叶根最大厚度为8.1mm;而HT3/5224和 复合材料的力学性能,其中HT3/5224为高强HT3/QY891l树脂基复合材料的单层厚度均为 碳纤维/环氧材料,HT3/QY8911为高强碳纤维/0.125mm,因此叶片沿厚度方向按对称方式铺20 双马材料 层,铺层顺序为[O2/45/02/-452/02/90];同时因 为需要对叶片表面进行气动力加载,因此采用表 表1典型国产连续纤维增强树脂基复合材料 的力学性能 面效应单元SURF154,以进行气动力加载 Table 1 Mechanical properties of typical continuous 当边界条件加载完毕后便可进行强度校核分 fiber reinforced resin matrix composite in China 析,得到两种复合材料实心风扇叶片的变形和蔡 吴强度因子分布,如图3和图4所示 材料 HT3/5224HT3/QY8911 图4中蔡吴强度因子是一个无量纲的量,若 纵向拉伸模量/GPa 140.0 蔡-吴强度因子大于或等于1,表示复合材料失 横向拉伸模量/GPa 效,结构不满足强度要求;若小于1,表示材料安 面内切变模量/GPa 全,满足强度要求 泊松比 对比图3和图4,可以看出HT3/5224复合 材料叶片总变形最大值为1.772mm,比HT3/ 纵向拉伸强度/MPa 1400.0 1239.0 QY8911复合材料叶片的1.891mm减小了 横向拉伸强度/MPa 6.29%;HT3/5224复合材料叶片蔡吴强度因子 纵向压缩强度/MPa 1281.0 最大值为0.0618,比HT3/QY8911复合材料叶 横向压缩强度/MPa 180.0 189.0 片的0.0968减小了36.16%,即强度增加了 面内切变强度/MPa 81.2 3616%.且HT3/5224复合材料密度比HT3/ 为了探究树脂基复合材料应用于风扇叶片的 ANSYS IL0 可行性,需要先对树脂基复合材料风扇叶片的强 NODAL SOLUTION 度进行校核.本文采用NASA( National aeronaut tics and Space Administration) Rotor67风扇转 子叶片的标准叶型,叶高为159mm,风扇入口顶 ACET= 部直径为513mm,设计转速为16043r/min.将 DMX=L72 上述两种复合材料HT3/5224和HT3/QY8911 分别应用于实心风扇叶片,应用 ANSYS软件进 行强度校核,叶片有限元模型如图2所示 由于风扇叶片的材料采用树脂基复合材料, 因此有限元分析中必须采用复合材料单元.本文 a)HI3/5224 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
航 空 动 力 学 报 第２７卷 层合板的失效有两个特征状态，即第１层 失 效和层合板最终失效，对应于层合板的两个特征 强度即第１层失效强度和极限强度．发动机工作 时，风扇叶片要承受离心力、气动力、发动机振动 引起的交变力以及随机载荷等多种载荷，叶片将 产生拉伸应力、弯曲应力、扭转应力等，由于叶片 受力情况复杂，且为了保证叶片具有足够的强度 裕度，本文采用第１层失效强度作为复合材料风 扇叶片的强度准则． １．２．２ 树脂基复合材料的选择 通过对树脂基复合材料特性的研究，考 虑 到 风扇叶片的受力特点和工作状态，本文采用连续 纤维增强树脂基复合材料作为风扇叶片的材料． 表１给出了两种典型的国产连续纤维增强树脂基 复合材料的力学性能［６］，其 中 ＨＴ３／５２２４为 高 强 碳纤维／环氧材料，ＨＴ３／ＱＹ８９１１为高强碳纤维／ 双马材料． 表１ 典型国产连续纤维增强树脂基复合材料 的力学性能 Ｔａｂｌｅ１ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｒｅｓｉｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎＣｈｉｎａ 材料 ＨＴ３／５２２４ ＨＴ３／ＱＹ８９１１ 纵向拉伸模量／ＧＰａ １４０．０ １３５．０ 横向拉伸模量／ＧＰａ ８．６ ８．８ 面内切变模量／ＧＰａ ５．０ ４．５ 泊松比 ０．３５ ０．３３ 纵向拉伸强度／ＭＰａ １４００．０ １２３９．０ 横向拉伸强度／ＭＰａ ５０．０ ３８．７ 纵向压缩强度／ＭＰａ １１００．０ １２８１．０ 横向压缩强度／ＭＰａ １８０．０ １８９．０ 面内切变强度／ＭＰａ ９９．０ ８１．２ 为了探究树脂基复合材料应用于风扇叶片的 可行性，需要先对树脂基复合材料风扇叶片的强 度进行校核．本文采用 ＮＡＳＡ（ＮａｔｉｏｎａｌＡｅｒｏｎａｕ－ ｔｉｃｓａｎｄＳｐａｃｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）Ｒｏｔｏｒ６７ 风 扇 转 子叶片的标准叶型，叶高为１５９ｍｍ，风 扇 入 口 顶 部直径为５１３ｍｍ，设计转速为１６０４３ｒ／ｍｉｎ［７］ ．将 上述 两 种 复 合 材 料 ＨＴ３／５２２４和 ＨＴ３／ＱＹ８９１１ 分别应用于实心风扇叶片，应用 ＡＮＳＹＳ软件 进 行强度校核，叶片有限元模型如图２所示． 由于风扇叶片的材料采用树脂基复合材料， 因此有限元分析中必须采用复合材料单元．本文 图２ 风扇叶片有限元模型 Ｆｉｇ．２ Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｆａｎｂｌａｄｅ 采用８节点层状结构体单元ＳＯＬＩＤ４６作为复合 材料 叶 片 的 实 体 元，叶 片 叶 尖 最 大 厚 度 为 ２．７ ｍｍ，叶根 最 大 厚 度 为 ８．１ｍｍ；而 ＨＴ３／５２２４ 和 ＨＴ３／ＱＹ８９１１树 脂 基 复 合 材 料 的 单 层 厚 度 均 为 ０．１２５ｍｍ，因此叶片沿厚度方向按对称方式铺２０ 层，铺 层 顺 序 为［０２／４５／０２／－４５２／０２／９０］ｓ；同 时 因 为需要对叶片表面进行气动力加载，因此采用表 面效应单元ＳＵＲＦ１５４，以进行气动力加载． 当边界条件加载完毕后便可进行强度校核分 析，得到两种复合材料实心风扇叶片的变形和蔡－ 吴强度因子分布，如图３和图４所示． 图４中蔡－吴强度因子是一个无量纲的量，若 蔡－吴强 度 因 子 大 于 或 等 于 １，表示复合材料失 效，结构不满足 强 度 要 求；若 小 于１，表 示 材 料 安 全，满足强度要求． 对比图３和 图４，可 以 看 出 ＨＴ３／５２２４复 合 材料 叶 片 总 变 形 最 大 值 为 １．７７２ｍｍ，比 ＨＴ３／ ＱＹ８９１１ 复 合 材 料 叶 片 的 １．８９１ｍｍ 减 小 了 ６．２９％；ＨＴ３／５２２４复合材料叶片蔡－吴强度因子 最大值为０．０６１８，比 ＨＴ３／ＱＹ８９１１复 合 材 料 叶 片的 ０．０９６８ 减 小 了 ３６．１６％，即 强 度 增 加 了 ３６．１６％．且 ＨＴ３／５２２４ 复 合 材 料 密 度 比 ＨＴ３／ ２３６１
第7期 胡殿印等:树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 1633 DAL SOLUTICN HT3/5224复合材料叶片强度性能更优越,叶片 质量更轻,因此采用HT3/5224复合材料用于后 续的叶片强度和振动特性分析以及优化分析 MX=L 891 1.3树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计 1.3.1空心风扇叶片的结构设计 空心风扇叶片独特的结构形式和复杂的加工 工艺使得它的结构强度设计不同于普通叶片,除 了具有普通叶片所必需的结构设计要求外,风扇 420 D.840 1260 空心部分的尺寸选择及布置、叶片整体刚性、芯材 与板材的连接强度、叶身的强度、叶片振动模态都 (b)HT3QY8911 将发生变化或有新的特点.采用复合材料的空心 图3复合材料实心叶片总变形分布 风扇叶片,结合先进的复合材料成型工艺,与传统 Fig 3 Total deformation of composite fan 的叶片结构设计和制造方法相比可明显地减轻叶 片质量、提高发动机性能 在 NASA Rotor67实心风扇叶片的基础上 利用UG( unigraphics)三维建模软件,进行空心 叶片内部结构的设计.空心叶片内部芯板采用三 NODAL SOLUTION SUB=I 角形桁架结构,在每个叶型截面中,壁板厚度是等 厚的,芯板厚度也是等厚的,壁板厚度决定了叶片 空腔的基本形状和大小.空腔内每一处壁板与芯 板连接的长度相等且等距分布,假设芯板数量固 定,则可推算出空腔的总长度5 给定芯板数量为12,考虑到工艺可行性,叶 片壁板和芯板不能太薄,从叶根到叶尖的壁厚分 别为1.5,1.5,1.5,1.5,1,0,1.0,0.7,0.7mm,芯 a)HI3/5224 板厚与壁板厚的比值固定为0.4,则换算出的芯 板厚分别为0.7,0.7,0.7,0.7,0.4,0.4,0.28,0. 28mm.将8个截面的芯板轮廓曲线,利用UG的 AILTWSI (AVG) 实体特征功能,生成芯板实体,如图5(a)所示,空 心叶片实体如图5(b)所示,空心叶片实体的横截 sMN-.110 SMX=0097 面形状如图6所示 图4复合材料实心叶片蔡-吴强度因子 Fig 4 Tsai-Wu strength factor for composite solid blade (a)芯板实体 (b)空心叶片外形 QY8911小,HT3/5224复合材料叶片质量较轻 图5空心叶片实体模型 虽然两种复合材料叶片都满足强度要求,但是 Fig 5 Solid model of hollow blade o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第７期 胡殿印等：树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 图３ 复合材料实心叶片总变形分布 Ｆｉｇ．３ Ｔｏｔａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆａｎ ｂｌａｄｅ 图４ 复合材料实心叶片蔡－吴强度因子 分布 Ｆｉｇ．４ Ｔｓａｉ－Ｗｕｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｃｔｏｒｆｏｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｏｌｉｄｂｌａｄｅ ＱＹ８９１１小，ＨＴ３／５２２４复合材 料 叶 片 质 量 较 轻． 虽然两种复合材料叶片都满足强度要求，但 是 ＨＴ３／５２２４复合材料叶片强度性能更优越，叶 片 质量更轻，因此采用 ＨＴ３／５２２４复合材料用于后 续的叶片强度和振动特性分析以及优化分析． １．３ 树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计 １．３．１ 空心风扇叶片的结构设计 空心风扇叶片独特的结构形式和复杂的加工 工艺使得它的结构强度设计不同于普通叶片，除 了具有普通叶片所必需的结构设计要求外，风扇 空心部分的尺寸选择及布置、叶片整体刚性、芯材 与板材的连接强度、叶身的强度、叶片振动模态都 将发生变化或有新的特点．采用复合材料的空心 风扇叶片，结合先进的复合材料成型工艺，与传统 的叶片结构设计和制造方法相比可明显地减轻叶 片质量、提高发动机性能． 在 ＮＡＳＡＲｏｔｏｒ６７实心风扇叶片的基础上， 利用 ＵＧ（ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ）三 维 建 模 软 件，进 行 空 心 叶片内部结构的设计．空心叶片内部芯板采用三 角形桁架结构，在每个叶型截面中，壁板厚度是等 厚的，芯板厚度也是等厚的，壁板厚度决定了叶片 空腔的基本形状和大小．空腔内每一处壁板与芯 板连接的长度相等且等距分布，假设芯板数量固 定，则可推算出空腔的总长度［８］ ． 给定芯 板 数 量 为１２，考 虑 到 工 艺 可 行 性，叶 片壁板和芯板不能太薄，从叶根到叶尖的壁厚分 别为１．５，１．５，１．５，１．５，１．０，１．０，０．７，０．７ｍｍ，芯 板厚与壁板厚 的 比 值 固 定 为０．４，则 换 算 出 的 芯 板厚分别为０．７，０．７，０．７，０．７，０．４，０．４，０．２８，０． ２８ｍｍ．将８个截面的芯板轮廓曲线，利用 ＵＧ 的 实体特征功能，生成芯板实体，如图５（ａ）所示，空 心叶片实体如图５（ｂ）所示，空心叶片实体的横截 面形状如图６所示． 图５ 空心叶片实体模型 Ｆｉｇ．５ Ｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆｈｏｌｌｏｗｂｌａｄｅ ３３６１
1634 航空动力学报 第27卷 NODAL SOLLTION U/mm 图6空心叶片实体横截面 Fig 6 Cross section of hollow blade (a)总变形分布 1.3.2树脂基复合材料风扇叶片强度和振动分析 空心叶片叶尖壁厚为0.7mm,叶根壁厚为 1.5mm,而HT3/5224树脂基复合材料单层的厚 度为0.125mm,因此空心叶片铺层数取6层,采 用对称方式铺叠,铺层顺序为[45/0/-45]..用 蔡-吴失效准则校核叶片强度,且引入安全系数来 比较叶片强度,金属叶片的安全系数应不低于 1.33,复合材料叶片的安全系数应不低于1.50 空心叶片的有限元模型如图7所示,叶片单元数 为3800个 .056 006n (b)蔡-吴强度因子分布 图8复合材料空心叶片强度分析结果 Fig 8 Strength results of composite hollow blade 频率,分析叶片在工作状态下是否发生共振.根据 《航空涡喷、涡扇发动机结构设计准则》中的要 求[1,叶片共振频率的裕度至少是10%,叶片的 设计转速为16043r/min,因此叶片的共振转速边 图7空心叶片有限元模型 界为[14438.7r/min,17647.3r/min],如图9所 Fig 7 Finite element model of hollow blade 示,34倍转速线与第6阶频率线的交点为6670r/ min,共振裕度为58.42%;3倍转速线与第1阶频 经过强度计算分析,得到空心叶片的变形和率线的交点为12125r/min,共振裕度为2442% 蔡一吴强度因子分布,如图8所示.可以看出空心 4500 叶片叶尖尾缘总变形最大,为1.687mm;叶根中 34倍转速 共振上边界 振下边界 部蔡-吴强度因子最大,为0.406,即强度安全系 数为2.46>1.5,所以复合材料空心叶片满足静 强度要求 3阶14438.7 76473 利用图解法来求叶片的临界转速,作出叶片 的坎贝尔图(见图9),因风扇叶片后面有34个静 1000 3倍转速线 子,因此在图中作出等转速线和34倍转速线,等 5000 转速线和34倍转速线与各阶共振频率的交点的 10000150002000025000 转速/rmin 横坐标即为对应振型下的临界转速 图9空心叶片坎贝尔图 经过振动分析得到叶片的前6阶振型和固有 Fig 9 Campbell figure of hollow blade o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
航 空 动 力 学 报 第２７卷 图６ 空心叶片实体横截面 Ｆｉｇ．６ Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｈｏｌｌｏｗｂｌａｄｅ １．３．２ 树脂基复合材料风扇叶片强度和振动分析 空心 叶 片 叶 尖 壁 厚 为 ０．７ｍｍ，叶 根 壁 厚 为 １．５ｍｍ，而 ＨＴ３／５２２４树脂基复合材料单层的厚 度为０．１２５ｍｍ，因此空心叶片 铺 层 数 取６层，采 用对称方式铺叠，铺层顺序为［４５／０／－４５］ｓ．采 用 蔡－吴失效准则校核叶片强度，且引入安全系数来 比 较 叶 片 强 度，金属叶片的安全系数应 不低于 １．３３，复合材料叶片的安全系数应不低于１．５［９］ ． 空心叶片的有限元模型如图７所示，叶片单元数 为３８００个． 图７ 空心叶片有限元模型 Ｆｉｇ．７ Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｈｏｌｌｏｗｂｌａｄｅ 经过强度计算分析，得到空心叶片的 变 形 和 蔡－吴强度因子分布，如图８所示．可以 看 出 空 心 叶片叶尖尾缘总变形最大，为１．６８７ｍｍ；叶 根 中 部蔡－吴强 度 因 子 最 大，为０．４０６，即 强 度 安 全 系 数为２．４６＞１．５，所以复合材料空心叶片满足静 强度要求． 利用图解法来求叶片的临界转速，作 出 叶 片 的坎贝尔图（见图９），因风扇叶片后面有３４个静 子，因此在图中作出等转速线和３４倍转速线，等 转速线和３４倍转速线与各阶共振频率的交点的 横坐标即为对应振型下的临界转速［１０］ ． 经过振动分析得到叶片的前６阶振型和固有 图８ 复合材料空心叶片强度分析结果 Ｆｉｇ．８ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｈｏｌｌｏｗｂｌａｄｅ 频率，分析叶片在工作状态下是否发生共振．根据 《航空 涡 喷、涡 扇 发 动 机 结 构 设 计 准 则》中 的 要 求［１１］，叶片共振频率的裕度至少 是１０％，叶 片 的 设计转速为１６０４３ｒ／ｍｉｎ，因此叶片的共振转速边 界为［１４４３８．７ｒ／ｍｉｎ，１７６４７．３ｒ／ｍｉｎ］，如 图９所 示，３４倍转速线与第６阶频率线的交点为６６７０ｒ／ ｍｉｎ，共振裕度为５８．４２％；３倍转速线与第１阶频 率线的交点为１２１２５ｒ／ｍｉｎ，共振裕度为２４．４２％； 图９ 空心叶片坎贝尔图 Ｆｉｇ．９ Ｃａｍｐｂｅｌｌｆｉｇｕｒｅｏｆｈｏｌｌｏｗｂｌａｄｅ ４３６１
第7期 胡殿印等:树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 1635 两者均落在共振转速边界之外,叶片不会发生共叶片的铺层顺序优化 振,满足振动特性要求 2.1优化模型的建立 将复合材料空心叶片的强度和振动特性分析 优化模型的建立主要包括设计变量的选取 计算及质量估算的结果与传统金属实心叶片进行约束条件的设置和目标函数的确立,即优化三要 比较,如表2所示,可以看出,与金属实心叶片相 素的设定 比,树脂基复合材料空心叶片的最大总变形减小 选取3个铺层角作为设计变量,如表3所示 了74.48%,强度安全系数提高了84.96%,质量 设计变量在模型上对应的位置如图10所示,设计 了78.88%,共振裕度减少了0.95%;证明了变量的初值及变化范围如表4所示 提出的树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计 表3空心叶片设计变量 是可行的,且对于提高风扇叶片的强度和减重起 Table 3 Design variables of hollow blade 到了明显的作用;但是减振效果不明显,需要在此 基础上进行叶片的优化设计 参数 表2树脂基复合材料与金属实心叶片的比较 SGHT中对应参数 theta1 theta heta Table 2 Comparison between composite hollow 参数解释 铺层角1铺层角2铺层角3 blade and metal solid blade 金属实心叶片复合材料叶片 最大总变形/mm 强度安全系数 共振裕度/% 59,37 58.42 材料密度/(g/cm3) 4.44 质量/g 45.498 2树脂基复合材料风扇叶片铺层 顺序优化设计 图10空心叶片铺层示意图 本文设计的树脂基复合材料风扇叶片本质上 Fig 10 Stacking plot for hollow blade 是一种纤维增强复合材料的层合板结构,即叶片 由若干树脂基复合材料单层按一定角度铺叠并利 表4设计变量初值及取值范围 Table 4 Initial values and ranges of design variables 用一定的成型工艺加工而成,其最突出的问题是 铺层顺序对叶片强度和振动性能的影响,即复合 参数 取值范围 材料铺层顺序优化问题.通过对树脂基复合材料 01/(°) 0,+45,-45,90 空心叶片的振动特性分析,可以看到空心叶片的 0,+45,-45,90 共振裕度与金属实心叶片相比减少了0.95%,即 03/(°) 0,+45,-45,90 空心叶片的减振效果不明显,因此有必要对空心 叶片进行铺层顺序的优化,以提高空心叶片的振 动性能 约束条件着重考虑风扇叶片的强度和振动特 树脂基复合材料空心风扇叶片的铺层数为6性.由1.2节的分析可知,复合材料实心叶片最大 层为了降低叶片结构的各向异性,采用对称叠层总变形为1.72mm,因此要求复合材料空心叶片 分布,所以设计变量(铺层角)个数为3个;工程上的最大总变形不大于1.72mm;并且根据复合材 常用的铺层角是0°,±45°,90°,因此实心叶片铺 料结构设计的要求,需要保证复合材料空心叶片 层角共有4=64种组合方式如果采用人工计的强度安全系数不低于1.5,即最大蔡吴强度因 算,将十分费时费力,可利用优化的途径来解决上子不大于0.6 述问题.因此,采用优化平台 ISIGHT,结合有限 由图9坎贝尔图得出叶片共振区的频率范围 元分析软件 ANSYS来实现树脂基复合材料风扇 [240.65Hz,294.12Hz],[8181.93Hz,10000.14 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第７期 胡殿印等：树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 两者均落在共振转速边界之外，叶片不会发生共 振，满足振动特性要求． 将复合材料空心叶片的强度和振动特性分析 计算及质量估算的结果与传统金属实心叶片进行 比较，如表２所示．可以看出，与金属实心叶片相 比，树脂基复合材料空心叶片的最大总变形减小 了７４．４８％，强度安全 系 数 提 高 了８４．９６％，质 量 减轻了７８．８８％，共振裕度减少了０．９５％；证明了 提出的树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计 是可行的，且对于提高风扇叶片的强度和减重起 到了明显的作用；但是减振效果不明显，需要在此 基础上进行叶片的优化设计． 表２ 树脂基复合材料与金属实心叶片的比较 Ｔａｂｌｅ２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｈｏｌｌｏｗ ｂｌａｄｅａｎｄｍｅｔａｌｓｏｌｉｄｂｌａｄｅ 金属实心叶片 复合材料叶片 最大总变形／ｍｍ ６．６１ １．６９ 强度安全系数 １．３３ ２．４６ 共振裕度／％ ５９．３７ ５８．４２ 材料密度／（ｇ／ｃｍ３） ４．４４ １．５７ 质量／ｇ ２１５．３８１ ４５．４９８ ２ 树脂基复合材料风扇叶片铺层 顺序优化设计 本文设计的树脂基复合材料风扇叶片本质上 是一种纤维增强复合材料的层合板结构，即叶片 由若干树脂基复合材料单层按一定角度铺叠并利 用一定的成型工艺加工而成，其最突出的问题是 铺层顺序对叶片强度和振动性能的影响，即复合 材料铺层顺序优化问题．通过对树脂基复合材料 空心叶片的振动特性分析，可以看到空心叶片的 共振裕度与金属实心叶片相比减少了０．９５％，即 空心叶片的减振效果不明显，因此有必要对空心 叶片进行铺层顺序的优化，以提高空心叶片的振 动性能． 树脂基复合材料空心风扇叶片的铺层数为６ 层．为了降低叶片结构的各向异性，采用对称叠层 分布，所以设计变量（铺层角）个数为３个；工程上 常用的铺层角 是０°，±４５°，９０°，因 此 实 心 叶 片 铺 层角共有４３ ＝６４种 组 合 方 式．如 果 采 用 人 工 计 算，将十分费时费力，可利用优化的途径来解决上 述问题．因 此，采 用 优 化 平 台ｉＳＩＧＨＴ，结 合 有 限 元分析软件 ＡＮＳＹＳ来实现树脂基复合材料风扇 叶片的铺层顺序优化． ２．１ 优化模型的建立 优化模型的建立主要包括设计变量的选取、 约束条件的设置和目标函数的确立，即优化三要 素的设定． 选取３个铺层角作为设计变量，如表３所示． 设计变量在模型上对应的位置如图１０所示，设计 变量的初值及变化范围如表４所示． 表３ 空心叶片设计变量 Ｔａｂｌｅ３ Ｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓｏｆｈｏｌｌｏｗｂｌａｄｅ 参数 θ１ θ２ θ３ ｉＳＩＧＨＴ中对应参数 ｔｈｅｔａ１ ｔｈｅｔａ２ ｔｈｅｔａ３ 参数解释 铺层角１ 铺层角２ 铺层角３ 图１０ 空心叶片铺层示意图 Ｆｉｇ．１０ Ｓｔａｃｋｉｎｇｐｌｏｔｆｏｒｈｏｌｌｏｗｂｌａｄｅ 表４ 设计变量初值及取值范围 Ｔａｂｌｅ４ Ｉｎｉｔｉａｌｖａｌｕｅｓａｎｄｒａｎｇｅｓｏｆｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓ 参数 初值 取值范围 θ１／（°） ４５ ０，＋４５，－４５，９０ θ２／（°） ０ ０，＋４５，－４５，９０ θ３／（°） －４５ ０，＋４５，－４５，９０ 约束条件着重考虑风扇叶片的强度和振动特 性．由１．２节的分析可知，复合材料实心叶片最大 总变形为１．７７２ｍｍ，因此要求复合材料空心叶片 的最大总变形不大于１．７７２ｍｍ；并且根据复合材 料结构设计的要求，需要保证复合材料空心叶片 的强度安全系数不低于１．５，即最大蔡－吴强度因 子不大于０．６６． 由图９坎贝尔图得出叶片共振区的频率范围 ［２４０．６５Ｈｚ，２９４．１２Ｈｚ］，［８１８１．９３Ｈｚ，１００００．１４ ５３６１
1636 航空动力学报 第27卷 z].为了不发生共振,必须保证叶片的全部6阶 NODAL SOLUTION 共振频率落在这两个频率范围之外.这样,施加的 振动约束条件见表5 表5约束条件 Table 5 Constraint conditions 约束条件 下限 上限 叶片最大总变形/mm 0.5 叶片最大蔡-吴强度因子 0.66 共振频率最小值/H 8182 b)优化后 共振频率最大值/Hz 883 图11空心叶片总变形云图 Fig 11 Total deformation distribution of hollow blade 铺层顺序优化的目的是为了在叶片减重和满 足强度要求的基础上,进一步提高叶片的抗振性 能,因此以控制第6阶最大共振频率最小(即共振 裕度最大)为优化目标 2.2优化算法的选择 采用 ISIGHT优化平台自带的优化算法,由 于文中的设计变量(即铺层角)是离散的整型变 量,因此采用多岛遗传算法[1来解决铺层顺序优 化问题 0.002 2.3优化结果 设计变量优化前后的结果比较,如表6所示 (a)优化前 优化前后叶片总变形,如图11所示;优化前后叶 片蔡-吴强度因子云图,如图12所示.将优化前后 的约束和目标值进行对比,如表7所示 表6优化结果 Table 6 Optimization results 铺层角 02/(°) 初值 45 45 0268 化值 (b)优化后 NODAL SOLUTION 图12空心叶片蔡-吴强度因子云图 Fig. 12 Tsai-Wu strength factor distribution of hollow blade 表7可以看出,空心叶片铺层优化后,目标 函数即第6阶共振频率最大值减小了24.69% 第1阶共振频率最小值增加了27.47%,由计算 可知优化后的叶片高阶共振裕度较初始结构增加 0.375 0.750 1.500 了9.39%,较金属实心叶片增加了8.44%;而低 a)优化前 阶共振裕度较初始结构减小了4.88%;说明需对 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
航 空 动 力 学 报 第２７卷 Ｈｚ］．为了不发生共振，必须保证叶片的全部６阶 共振频率落在这两个频率范围之外．这样，施加的 振动约束条件见表５． 表５ 约束条件 Ｔａｂｌｅ５ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ 约束条件 下限 上限 叶片最大总变形／ｍｍ ０ １．７７２ 叶片最大蔡－吴强度因子 ０．６６ 共振频率最小值／Ｈｚ ８８３ ８１８２ 共振频率最大值／Ｈｚ ８８３ ８１８２ 铺层顺序优化的目的是为了在叶片减重和满 足强度要求的基础上，进一步提高叶片的抗振性 能，因此以控制第６阶最大共振频率最小（即共振 裕度最大）为优化目标． ２．２ 优化算法的选择 采用ｉＳＩＧＨＴ 优化平台自带的优化算法，由 于文中的设 计 变 量（即 铺 层 角）是 离 散 的 整 型 变 量，因此采用多岛遗传算法［１２］来解决铺层顺序优 化问题． ２．３ 优化结果 设计变量优化前后的结果比较，如表６所示． 优化前后叶片总变形，如图１１所示；优化前后叶 片蔡－吴强度因子云图，如图１２所示．将优化前后 的约束和目标值进行对比，如表７所示． 表６ 优化结果 Ｔａｂｌｅ６ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ 铺层角 θ１／（°） θ２／（°） θ３／（°） 初值 ４５ ０ －４５ 优化值 ０ ０ ０ 图１１ 空心叶片总变形云图 Ｆｉｇ．１１ Ｔｏｔａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｈｏｌｌｏｗ ｂｌａｄｅ 图１２ 空心叶片蔡－吴强度因子云图 Ｆｉｇ．１２ Ｔｓａｉ－Ｗｕｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｃｔｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ ｈｏｌｌｏｗｂｌａｄｅ 从表７可以看出，空心叶片铺层优化后，目标 函数即第６阶共振频率最大值减小了２４．６９％， 第１阶共振频率最小值增加了２７．４７％，由 计 算 可知优化后的叶片高阶共振裕度较初始结构增加 了９．３９％，较金属实心叶片增加了８．４４％；而 低 阶共振裕度较初始结构减小了４．８８％；说明需对 ６３６１
第7期 胡殿印等:树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 1637 叶片几何结构进行进一步优化以提高其低阶共振 裕度.此外,叶片最大总变形增加了4.98%,但总 参考文献: 变形最大值为1.71mm,约等于复合材料实心叶[1]侯冠群,尚波生宽弦风扇叶片技术的发展[J国际航空 片的最大总变形1.772mm,所以叶片强度并未减 2002(12):45-47 弱.叶片最大蔡-吴强度因子减小了7.39%,即叶 HOU Guanqun, SHANG Bosheng. Development of wide chord fan blade[J]. International Aviation, 2002(12):45- 片强度提高了7.39%.综上,铺层优化对提高树 47.(in Chinese) 脂基复合材料空心叶片的抗振性能起到了重要[2]梁春华,杨锐,航空发动机宽弦空心风扇叶片的发展及应 作用 用[J.航空发动机,1999(2):54-58 表7优化前后各约束条件和目标函数的对比 LIANG Chunhua, YANG Rui Development and application of hollow wide-chord fan blade of aero-engine [J].Aero- Table 7 Results of constraint variables and objective engine, 1999(2): 54-58.(in Chinese) function before and after optimization [3]梁春华,李宏新,凌瑶.先进航空涡扇发动机风扇/压气机 先进结构与新材料[].航空制造技术,2007(1):60-63. 约束条件 优化前优化后效果 LIANG Chunhua. LI Hongxin, LING Yao. Advanced 叶片最大总变形/mm1.6871.771+4.98% structures and materials for fan/compressor of advanced 叶片最大蔡-吴强度因子0.4060.376-7.39% turbo-fan engine[J]. Advanced Manufacturing Technology of Aeroengine, 2007(1): 60-63. (in Chinese) 振频率最小值/Hz506.35645.42+27.47% [4]陈懋章.风扇/压气机技术发展和对今后工作的建议[] 共振频率最大值/Hz3885.762926.43-24.69% 航空动力学报,2002,17(1):1-15. 目标函数 优化前优化后效果 CHEN Maozhang. Development of fan/compressor tech- K=3458.42%67.81%+9.39% niques and suggestions on further researches. Journal of 共振裕度 Aerospace Power, 2002,17(1):1-15(in Chinese) K=324.42%19.54%-4.88 [5]宋兆泓,熊昌炳,郑光华.航空燃气涡轮发动机强度设计 M].北京:北京航空学院出版社,1988 [6]矫桂琼,贾普荣.复合材料力学[M].西安:西北工业大学 3结论 出版社,2008 [7] Anthony J, Strazisar, Wood J R, et al. Laser anemometer 在深入研究树脂基复合材料的材料属性和设 measurements in a transonic axialflow fan rotor [R] 计准则的基础上,建立了一种树脂基复合材料空 NASA Technical Paper 2879. 1989 心风扇叶片的结构设计方法并开展了树脂基复合[8]杨建秋,王延荣,基于正交试验设计的空心叶片结构优化 材料风扇叶片的铺层顺序优化分析.结果表明设 设计学[].航空动力学报,2011,26(2):376-384 计的树脂基复合材料风扇叶片较传统的金属风扇 YANG Jianqiu, WANG Yanrong. Structural optimization 叶片质量轻,而且强度及振动性能好 of hollow fan blade based on orthogonal experimental de- signLJ]. Journal of Aerospace Power, 2011, 26(2):376- 1)提出了一套包括树脂基复合材料选择和 384.(in Chinese) 树脂基复合材料空心风扇叶片结构形式设计过[9]张志民复合材料结构力学[M北京:北京航空航天大学 程、并考虑叶片的强度和振动特性的树脂基复合 出版社,1993. 材料风扇叶片结构设计流程 [10]杨雯,杜发荣,郝勇,等.宽弦空心风扇叶片动力响应特性 2)与金属实心叶片相比,树脂基复合材料空 研究[.航空动力学报,2007,22(3):444-449 心叶片的最大总变形减小了74.48%强度提高 YANG Wen, DU Farong, HAO Yong, et al. Investigation of dynamic response property of wide-chord hollow fan 了84.96%,质量减轻了78.88%,共振裕度减少 bladeJ] Journal of Aerospace Power, 2007,22(3):444- 了0.95% 3)采用多岛遗传算法实现了树脂基复合材 11]《航空涡喷、涡扇发动机结构设计准则》編写委员会.航空 料空心风扇叶片的铺层顺序优化,空心叶片的高 涡喷、涡扇发动机结构设计准则第1册:总论[M].北京: 中国航空工业总公司发动机系统工程局,1997. 阶共振裕度较优化前结构增加了9.39%,较金属[12]李敏强.遗传算法的基本理论与应用[M.北京:科学出版 实心叶片增加了8.44% 社,2002 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第７期 胡殿印等：树脂基复合材料风扇叶片的优化设计 叶片几何结构进行进一步优化以提高其低阶共振 裕度．此外，叶片最大总变形增加了４．９８％，但总 变形最大值为１．７７１ｍｍ，约等于复合材料实心叶 片的最大总变形１．７７２ｍｍ，所以叶片强度并未减 弱．叶片最大蔡－吴强度因子减小了７．３９％，即叶 片强度提高 了７．３９％．综 上，铺 层 优 化 对 提 高 树 脂基复合 材 料 空 心 叶 片 的 抗 振 性 能 起 到 了 重 要 作用． 表７ 优化前后各约束条件和目标函数的对比 Ｔａｂｌｅ７ Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｖａｒｉａｂｌｅｓａｎｄｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 约束条件 优化前 优化后 效果 叶片最大总变形／ｍｍ １．６８７ １．７７１ ＋４．９８％ 叶片最大蔡－吴强度因子 ０．４０６ ０．３７６ －７．３９％ 共振频率最小值／Ｈｚ ５０６．３５ ６４５．４２ ＋２７．４７％ 共振频率最大值／Ｈｚ ３８８５．７６ ２９２６．４３ －２４．６９％ 目标函数 优化前 优化后 效果 共振裕度 Ｋ＝３４ ５８．４２％ ６７．８１％ ＋９．３９％ Ｋ＝３ ２４．４２％ １９．５４％ －４．８８％ ３ 结 论 在深入研究树脂基复合材料的材料属性和设 计准则的基础上，建立了一种树脂基复合材料空 心风扇叶片的结构设计方法并开展了树脂基复合 材料风扇叶片的铺层顺序优化分析．结果表明设 计的树脂基复合材料风扇叶片较传统的金属风扇 叶片质量轻，而且强度及振动性能好． １）提出了 一 套 包 括 树 脂 基 复 合 材 料 选 择 和 树脂基复 合 材 料 空 心 风 扇 叶 片 结 构 形 式 设 计 过 程、并考虑叶片的强度和振动特性的树脂基复合 材料风扇叶片结构设计流程． ２）与金属实心叶片相比，树脂基复合材料空 心叶片的最 大 总 变 形 减 小 了７４．４８％，强 度 提 高 了８４．９６％，质量减轻 了７８．８８％，共 振 裕 度 减 少 了０．９５％． ３）采用多 岛 遗 传 算 法 实 现 了 树 脂 基 复 合 材 料空心风扇叶片的铺层顺序优化，空心叶片的高 阶共振裕度较优化前结构增加了９．３９％，较金属 实心叶片增加了８．４４％． 参考文献： ［１］ 侯冠群，尚波生．宽弦风扇叶片技术的发展［Ｊ］．国际航空， ２００２（１２）：４５－４７． ＨＯＵ Ｇｕａｎｑｕｎ，ＳＨＡＮＧ Ｂｏｓｈｅｎｇ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｄｅ ｃｈｏｒｄｆａｎｂｌａｄｅ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｖｉａｔｉｏｎ，２００２（１２）：４５－ ４７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ） ［２］ 梁春华，杨锐．航空发动机宽弦空心风扇叶片的发展及应 用［Ｊ］．航空发动机，１９９９（２）：５４－５８． ＬＩＡＮＧＣｈｕｎｈｕａ，ＹＡＮＧＲｕｉＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｈｏｌｌｏｗ ｗｉｄｅ－ｃｈｏｒｄｆａｎｂｌａｄｅｏｆａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．Ａｅｒｏ－ ｅｎｇｉｎｅ，１９９９（２）：５４－５８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ） ［３］ 梁春华，李宏 新，凌 瑶．先 进 航 空 涡 扇 发 动 机 风 扇／压 气 机 的先进结构与新材料［Ｊ］．航空制造技术，２００７（１）：６０－６３． ＬＩＡＮＧ Ｃｈｕｎｈｕａ，ＬＩ Ｈｏｎｇｘｉｎ，ＬＩＮＧ Ｙａｏ．Ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｆａｎ／ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｏｆａｄｖａｎｃｅｄ ｔｕｒｂｏ－ｆａｎｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆＡｅｒｏｅｎｇｉｎｅ，２００７（１）：６０－６３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ） ［４］ 陈懋章．风扇／压气机技术发展和对今后工作的建议［Ｊ］． 航空动力学报，２００２，１７（１）：１－１５． ＣＨＥＮ Ｍａｏｚｈａｎｇ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆａｎ／ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｔｅｃｈ－ ｎｉｑｕｅｓａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｎｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ ＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｏｗｅｒ，２００２，１７（１）：１－１５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ） ［５］ 宋兆泓，熊 昌 炳，郑 光 华．航 空 燃 气 涡 轮 发 动 机 强 度 设 计 ［Ｍ］．北京：北京航空学院出版社，１９８８． ［６］ 矫桂琼，贾普 荣．复 合 材 料 力 学［Ｍ］．西 安：西 北 工 业 大 学 出版社，２００８． ［７］ ＡｎｔｈｏｎｙＪ，Ｓｔｒａｚｉｓａｒ，ＷｏｏｄＪＲ，ｅｔａｌ．Ｌａｓｅｒａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎ ａｔｒａｎｓｏｎｉｃａｘｉａｌ－ｆｌｏｗ ｆａｎｒｏｔｏｒ［Ｒ］． ＮＡＳＡＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒ２８７９，１９８９． ［８］ 杨建秋，王延荣．基于正交试验设计的空心叶片结构优化 设计学［Ｊ］．航空动力学报，２０１１，２６（２）：３７６－３８４． ＹＡＮＧＪｉａｎｑｉｕ，ＷＡＮＧ Ｙａｎｒｏｎｇ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｈｏｌｌｏｗｆａｎｂｌａｄｅｂａｓｅｄｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅ－ ｓｉｇｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｏｗｅｒ，２０１１，２６（２）：３７６－ ３８４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ） ［９］ 张志民．复合材料结构力学［Ｍ］．北京：北京航空航天大学 出版社，１９９３． ［１０］ 杨雯，杜发荣，郝 勇，等．宽弦空心风扇叶片动力响应特性 研究［Ｊ］．航空动力学报，２００７，２２（３）：４４４－４４９． ＹＡＮＧ Ｗｅｎ，ＤＵ Ｆａｒｏｎｇ，ＨＡＯ Ｙｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ ｗｉｄｅ－ｃｈｏｒｄ ｈｏｌｌｏｗ ｆａｎ ｂｌａｄｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｏｗｅｒ，２００７，２２（３）：４４４－ ４４９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ） ［１１］ 《航空涡喷、涡扇发动机结构设计准则》编 写 委 员 会．航 空 涡喷、涡扇发动机结构设计准则第１册：总 论［Ｍ］．北 京： 中国航空工业总公司发动机系统工程局，１９９７． ［１２］ 李敏强．遗传算法的基本理论与应用［Ｍ］．北京：科学出版 社，２００２． ７３６１