基于3D打印技术的桨叶结构与动力学设计方法研究

摘要

桨叶是直升机旋翼系统的重要组成部分，目前最常用的直升机桨叶是由复合材料制成的。研究表明，晶格结构具有轻质与高强度的力学性能，在桨叶内部填充晶格结构，与蒙皮共同构成3D打印晶格结构桨叶，并利用增材制造技术成型，这为直升机桨叶的设计与制造提供一种全新的思路。 本文重点研究了3D打印晶格桨叶的结构设计与动力学设计方法，具体工作包括： （1）3D打印晶格结构桨叶的参数化建模方法 详细比较了几种不同构型的晶格结构的力学性能，研究发现三棱柱晶格具有较好的综合性能；提出了一种有效的3D打印晶格结构桨叶的参数化描述与建模方法，基于ANSYS APDL语言编写了3D打印桨叶的参数化结构建模与有限元建模程序；并通过CATIA的二次开发编程，完成了3D打印桨叶的三维实体模型设计。 （2）3D打印桨叶力学特性分析与调频优化 基于参数化模型建立了有限元分析流程，对采用晶格结构的3D打印桨叶进行了强度与稳定性校核和模态分析；基于多岛遗传算法实现了Beam程序、ANSYS与Isight的集成与联合优化；以桨叶填充晶格的结构特性与蒙皮厚度等为设计参数，以桨叶质量、强度安全系数、稳定载荷系数为约束，对3D打印晶格结构桨叶进行了调频优化设计，获得了优化设计参数。 （3）桨叶成型与实验研究 利用铝合金3D打印技术成型模型桨叶，并开展3D打印桨叶实验研究，包括静变形测量、固有频率测量以及旋翼台旋转实验和气动性能测量。通过实验，证明了本文所设计的铝合金3D打印桨叶的性能满足要求，实验测量与分析结果吻合良好，验证了本文设计方法的有效性。

目录

第一个书签之前

缩略词

1.1 引言

1.2 国内外研究发展状况

1.3 论文主要工作安排

2.1 3D打印晶格结构的研究

2.1.2 不同晶格结构力学特性

2.2 3D打印晶格结构桨叶参数化建模

2.3 3D打印晶格结构桨叶有限元建模

2.4 3D打印晶格结构桨叶参数化建模流程

2.5 3D打印晶格结构桨叶三维实体模型的建立

2.6 本章小结

3.1 基于梁模型的旋翼桨叶固有振动分析模型

3.2 3D打印桨叶的三维有限元分析

3.2.1 有限元求解步骤

3.2.2 结构稳定分析

3.2.3 模态分析

3.2.4 桨叶力学分析中的强度准则

3.3 3D晶格结构桨叶的力学性能验证

3.4 利用梁理论模型计算桨叶固有频率

3.5 本章小结

4.1 引言

4.2 优化设计模型的表达

4.3 优化算法

4.4 3D打印晶格结构桨叶调频优化

4.4 本章小结

5.1 引言

5.2 桨叶成型工艺初步研究

5.3 3D打印桨叶试验及验证

5.4 本章小结

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢