张立章1,郭浩为2,陈欢欢3,赵艳云1,艾书民3,杨新龙3,闫成4
摘要: 盘类件在航空发动机中应用广泛,其性能优化是提升发动机性能的关键环节。增材制造技术凭借高加工自由度显著拓展了此类结构的设计空间,但其固有的逐层堆积特性使构件沿打印方向呈现显著的各向异性,给结构设计带来挑战。为此,提出了一种考虑增材制造各向异性的航空发动机盘类件结构拓扑优化方法。首先,针对盘类件特性,建立了适用于轴对称结构的各向异性材料模型,为拓扑优化中的各向异性材料属性插值与结构优化奠定理论基础。其次,实现了 Tsai-Wu 强度准则在轴对称各向异性结构中的数值离散,可有效预测打印件的各向异性强度分布,并反映沿打印方向的结构拉压不对称特性。接着,构建了以质量最小化为目标、各向异性强度为约束的拓扑优化模型,并基于伴随法推导了目标函数及约束的灵敏度。最后,通过对称压气机盘、非对称涡轮盘和涡轮后挡板盘三个案例验证了所提方法的有效性。与基于von Mises准则的传统设计相比,本方法在保证结构安全的前提下,可实现质量降幅20%以上,显著提升了轻量化效果与设计可靠性,为增材制造轴对称结构的安全轻量化设计提供了有效途径。