复杂形状叶片精密成形的预锻形状拓扑优化算法研究

针对传统预成形设计方法难以对叶片等复杂形状锻件进行精确体积预分配的问题，通过在预成形设计中引入拓扑优化概念，将拓扑法与三维热力耦合的数值模拟相结合，推导面向大变形问题的单元处理准则、复杂网格演变的单元映射方法及不规则拓扑模型的光顺与简化算法，从而建立起针对复杂形状锻件的预成形拓扑优化方法，使材料利用率得以提高、材料的填充更加合理，进而提高叶片的成形质量、降低其生产成本。此外，通过开发独立优化程序并与商用有限元软件接口，使该预成形设计方法更易于推广。本项目后期将进行叶片锻造试验，对预成形拓扑优化算法进行验证，通过将理论推导、数值模拟及试验研究相结合，为叶片等复杂形状锻件的预成形设计问题提供一套新的解决方案。

针对传统预成形设计方法难以对叶片等复杂形状锻件进行精确体积预分配的问题，本项目通过在预成形设计中引入拓扑优化概念，将拓扑优化方法与三维热力耦合的数值模拟相结合，提出了利用拓扑优化解决复杂体积成形预成形设计的新方法，通过推导面向大变形问题的单元处理准则、复杂网格演变的单元映射方法及不规则拓扑模型的光顺与简化算法，建立了针对复杂形状锻件的预成形拓扑优化方法。针对某型叶片锻造预成形的形状进行了优化设计，使材料利用率显著提高、材料的填充及材料流动更加合理、材料变形更加均匀。在优化算法研究的基础上，本项目开发了独立的优化程序并与商用有限元软件实现了对接，建立了包含“实体模型拓扑化、单元退化与再生、几何外形拟合与重构、数据跟踪、有限元成形模拟及模型进化”等过程在内的预成形拓扑优化设计平台，成功实现了以叶片锻造为代表的二维模型以及复杂三维模型的预成形拓扑优化设计。本项目通过将理论推导、数值模拟及试验研究相结合，为叶片等复杂形状锻件的预成形设计问题提供了一套新的解决方案。