阎军 张晨光 霍思旭 柴象海 刘志辉 刘静昭 阎琨

摘要：航空发动机结构重量直接影响其工作效率与服役成本。本文以发动机宽弦风扇叶片为研究對象，基于拓扑优化技术给出了获得宽弦风扇叶片轻量化启发式设计的结构优化设计方法。研究中考虑了离心力工况与鸟撞工况。由于鸟撞工况具有随机性，本文采用加权求和的方式实现了不同位置鸟撞工况下风扇结构性能的统一评价和设计，有效降低了优化问题的复杂性。首先以结构的最小柔顺性为目标函数，以设计域内单元人工密度为设计变量，以设计域的材料体积为约束函数，对风扇叶片的空心结构开展基于拓扑优化的轻量化设计。进一步，将结构基频引入拓扑优化目标函数中，开展了同时考虑结构刚度性能与动力频率特性的多目标拓扑优化设计。数值算例结果显示，多目标拓扑优化给出了较为清晰的空心叶片内部材料分布方式。该结果可为风扇叶片轻量化设计提供启发，促进航空发动机的性能提升。

关键词：宽弦风扇叶片；拓扑优化；多目标优化；轻量化设计

中图分类号：V232.4文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.009

航空发动机是航空飞行器的“心脏”，将直接影响飞行器性能[1]。发动机的各项指标中，推重比是重要性能参数之一。对发动机开展轻量化设计，不仅可以提高发动机的推重比，还可以带来直接的经济效益，这使得结构轻量化设计成为发动机研发过程中的重要环节。风扇叶片是航空发动机的关键转动部件之一。……