航空发动机涡轮叶片光固化增材制造陶瓷型芯轻量化结构力学性能研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.007

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (6): 1353-1361.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.007

• 陶瓷增材制造工艺及性能 • 上一篇

航空发动机涡轮叶片光固化增材制造陶瓷型芯轻量化结构力学性能研究

杨浩秦¹^,²^,³(), 单忠德¹^,²^,⁴, 闫丹丹²^,³^,⁴(), 吴润谋⁵, 孔祥浩³

^1.南京航空航天大学材料科学与技术学院, 南京, 210016
^2.南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室, 南京, 210016
^3.南京航空航天大学无锡研究院, 无锡, 214188
^4.南京航空航天大学机电学院, 南京, 210016
^5.南京长江工业技术研究院有限公司, 南京, 211500

收稿日期:2025-05-08 出版日期:2026-06-25 发布日期:2026-07-17
通讯作者: 闫丹丹
作者简介:杨浩秦，男，1990年生，副研究员、博士研究生导师。研究方向为航空发动机涡轮叶片超冷结构设计与精准制造技术基础。E-mail：yang-haoqin@nuaa.edu.cn
闫丹丹^*（通信作者）女，1991年生，博士、助理研究员。研究方向为数字化多材料砂型整体打印成形技术与装备和数字化冷冻砂型绿色铸造技术与装备。E-mail：yandandan@nuaa.edu.cn。
基金资助:
江苏省自然科学基金青年项目(BK20230885);航空发动机及燃气轮机重大专项基础研究项目（J2022-Ⅶ-006-0048）;工信部高质量发展专项;华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室开放基金(P2025-012);上海航天科技创新基金

Study on Mechanics Properties of Lightweight Ceramic Core Structure Made of Photopolymerization for Aeroengine Turbine Blades

YANG Haoqin¹^,²^,³(), SHAN Zhongde¹^,²^,⁴, YAN Dandan²^,³^,⁴(), WU Runmou⁵, KONG Xianghao³

^1.College of Materials Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016
^2.National Key Laboratory for Aerospace Structural Mechanics and Control，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016
^3.Wuxi Research Institute，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Wuxi，Jiangsu，214188
^4.College of Mechanical & Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016
^5.Nanjing Yangtze River Industrial Technology Research Institute Co. ，Ltd. ，Nanjing，211500

Received:2025-05-08 Online:2026-06-25 Published:2026-07-17
Contact: YAN Dandan

摘要/Abstract

摘要：

面向航空发动机涡轮叶片铸造用陶瓷型芯的轻量化制造需求，基于光固化增材制造技术，系统研究了点阵结构拓扑优化设计及其力学性能调控机制。通过变密度拓扑优化方法对12类单体结构进行仿真分析，结合航空发动机涡轮叶片铸造用陶瓷型芯实际工况载荷，研究了单体类型、晶格尺寸与填充方向对轻量化结构性能的影响规律。研究结果表明：三角形蜂窝与六边形蜂窝结构因平面连接特性及协同应力分散机制，相较曲面/梁杆结构具有更优承载性能；晶格尺寸为1.5 mm的三角形蜂窝结构在UVW填充方向下力学性能较佳（等效应力15.05 MPa）。基于优化参数成功制备氧化硅基陶瓷型芯，其尺寸误差小于±0.05 mm，常温抗弯强度达30.7 MPa。

关键词: 结构设计, 点阵结构, 增材制造, 数值计算, 力学性能

Abstract:

Facing the lightweight manufacturing requirements of ceramic core for aeroengine turbine blade casting， the topology optimization design of lattice structure and the mechanics property regulation mechanism were systematically studied based on the photopolymerization additive manufacturing technology. Through the variable density topology optimization method， 12 kinds of monomer structures were simulated and analyzed. Combined with the actual working load of ceramic core for aeroengine turbine blades， the effects of monomer type， lattice size and filling direction on the performance of lightweight structure were studied. The results show that the triangular honeycomb and hexagonal honeycomb structures have better bearing performance than the curved surface/beam member structure due to the plane connection characteristics and the cooperative stress dispersion mechanism. The triangular honeycomb structure with lattice size of 1.5 mm has better mechanics properties（equivalent stress 15.05 MPa） in the direction of UVW filling. Based on the optimized parameters， the silicon oxide based ceramic core was successfully prepared， with a dimensional error is within ±0.05 mm and a bending strength of 30.7 MPa at room temperature.

Key words: structural design, lattice structure, additive manufacturing, numerical calculation, mechanics property

中图分类号:

TH122

杨浩秦, 单忠德, 闫丹丹, 吴润谋, 孔祥浩. 航空发动机涡轮叶片光固化增材制造陶瓷型芯轻量化结构力学性能研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1353-1361.

YANG Haoqin, SHAN Zhongde, YAN Dandan, WU Runmou, KONG Xianghao. Study on Mechanics Properties of Lightweight Ceramic Core Structure Made of Photopolymerization for Aeroengine Turbine Blades[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(6): 1353-1361.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.007

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2026/V37/I6/1353

图/表 16

图1 单元胞点阵结构设计流程图

Fig.1 Flow chart of unit lattice structure design

图2 点阵结构边界条件设置

Fig.2 Boundary condition setting of lattice structure

图3 实体测试块仿真结果

Fig.3 Simulation results of solid test block

图4 拓扑单体结构

Fig.4 Topological monomer structure

图5 测试块拓扑结构

Fig.5 Test block topology

图6 不同单体拓扑结构等效应力仿真结果

Fig.6 Equivalent stress simulation results of different monomer topologies

图7 不同单体拓扑结构等效应力仿真结果

Fig.7 Equivalent stress simulation results of different monomer topologies

图8 三角形蜂窝结构单体不同晶格尺寸轻量化设计效果

Fig. 8 Lightweight design effect of triangular honeycomb structure monomer with differentlattice sizes

图9 六边形蜂窝结构单体不同晶格尺寸轻量化设计效果

Fig.9 Lightweight design effect of hexagonal oneycomb structure monomer with different lattice sizes

图10 晶格尺寸对等效应力的影响

Fig.10 Effect of lattice size on equivalent force

图11 不同单体填充方向轻量化设计效果及仿真结果

Fig.11 Lightweight design effect and simulation results in different monomer directions

图12 陶瓷型芯典型件

Fig. 12 Typical ceramic core parts

图13 陶瓷型芯轻量化设计图

Fig.13 Lightweight design of ceramic core

图14 烧结工艺曲线

Fig.14 Sintering process curve

图15 轻量化设计的陶瓷型芯典型件

Fig.15 Typical ceramic core parts with lightweight design

图16 轻量化设计的大壁厚陶瓷型芯典型件

Fig. 16 Typical parts of large wall thickness ceramic core with lightweight design

参考文献 23

[1]	YE Z， HAO Z， DOU R， et al. Innovative Ceramic Paste for Stereolithography Additive Manufacturing Alumina Core Applied in Turbine Blade Casting［J］. International Journal of Applied Ceramic Technology， 2024， 21（4）： 2824-2831.
[2]	HAN J C， CHEN H C. Turbine Blade Internal Cooling Passages with Rib Turbulators［J］. Journal of Propulsion and Power， 2006， 22（2）： 226-248.
[3]	HAN J C， EKKAD S. Recent Development in Turbine Blade Film Cooling［J］. International Journal of Rotating Machinery， 2001， 7（1）： 860837.
[4]	任能，杨绿伟，李军，等. 高温合金定向凝固数值模拟研究进展［J］. 特种铸造及有色合金， 2023， 43（10）： 1336-1350.
	REN Neng， YANG Lüwei， LI Jun， et al. Research Progress in Numerical Simulation of Superalloys during Directional Solidification［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys， 2023， 43（10）： 1336-1350.
[5]	DONG Y， BU K， DOU Y， et al. Determination of Interfacial Heat-transfer Coefficient during Investment-casting Process of Single-crystal Blades［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2011， 211（12）： 2123-2131.
[6]	李素文，张学勤，张可强，等. 基于3D打印Al₂O₃梯度点阵的陶瓷/聚脲复合结构研究［J］. 安徽工程大学学报， 2024， 39（1）： 22-29.
	LI Suwen， ZHANG Xueqin， ZHANG Keqiang， et al. Preparation and Mechanical Properties of Ceramic/Polyurea Composite Structures Based on 3D Printed Al₂O₃ Gradient Lattice Structure［J］. Journal of Anhui Polytechnic University， 2024， 39（1）： 22-29.
[7]	金波成，李鸣. 3D打印氮化硅陶瓷点阵结构的性能研究［J］. 中国陶瓷， 2022，58（11）： 45-54.
	JIN Bocheng， LI Ming. Study on Properties of Silicon Nitride Ceramics of Lattice Structure Fabricated by 3D Printing［J］. China Ceramics， 2022，58（11）： 45-54.
[8]	周海伦.面向增材制造的梯度点阵结构力学性能研究及其拓扑优化应用［D］.重庆：重庆大学，2020.
	ZHOU Hailun. Research on Mechanical Properties of Gradient Lattice Structures for Additive Manufacturing and Their Application in Topology Optimization［D］. Chongqing：Chongqing University， 2020.
[9]	GAO S， WANG C， XING B， et al. Experimental Investigation on Bending Behaviour of ZrO₂ Honeycomb Sandwich Structures Prepared by DLP Stereolithography［J］. Thin-Walled Structures， 2020， 157： 107099.
[10]	KAFKASLıOĞLU YıLDıZ B， YıLDıZ A S， KUL M， et al. Mechanical Properties of 3D-printed Al₂O₃ Honeycomb Sandwich Structures Prepared Using the SLA Method with Different Core Geometries［J］. Ceramics International， 2024， 50（2）： 2901-2908.
[11]	HU K， WANG H， LU K， et al. Fabrication of Silica-based Ceramic Cores with Internal Lattice Structures by Stereolithography［J］. China Foundry， 2022， 19（5）： 369-379.
[12]	李启宏，李海艳. 基于改进SIMP法的连续体结构拓扑优化方法研究［J］. 机电工程， 2021， 38（4）： 428-433.
	LI Qihong， LI Haiyan. Continuum Structure Topology Optimization Method Based on Improved SIMP Method［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2021， 38（4）： 428-433.
[13]	刘多，江昱含，董得义，等. 基于增材制造的空间反射镜拓扑优化设计［J］. 机电工程， 2022， 39（7）： 1010-1016.
	LIU Duo， JIANG Yuhan， DONG Deyi， et al. Topological Optimization Design of Space Mirror Based on Additive Manufacturing［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2022， 39（7）： 1010-1016.
[14]	梁祖磊，孟岩松，赵嘉喜，等. 增材制造点阵结构设计、制备及性能研究进展［J］. 中国有色金属学报， 2025， 35（1）： 34-56.
	LIANG Zulei， MENG Yansong， ZHAO Jiaxi， et al. Research Progress on Design， preparation and Properties of Additive Manufacturing Lattice Structures［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2025， 35（1）： 34-56.
[15]	DESHPANDE V S， FLECK N A， ASHBY M F. Effective Properties of the Octet-truss Lattice Material［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 2001， 49（8）： 1747-1769.
[16]	DING G， HE R， ZHANG K， et al. Stereolithography-based Additive Manufacturing of Gray-colored SiC Ceramic Green Body［J］. Journal of the American Ceramic Society， 2019， 102（12）： 7198-7209.
[17]	LIU Y， CHEN Z， LI J， et al. 3D Printing of Ceramic Cellular Structures for Potential Nuclear Fusion Application［J］. Additive Manufacturing， 2020， 35： 101348.
[18]	KIM D H， LEE J， BAE J， et al. Mechanical Analysis of Ceramic/Polymer Composite with Mesh-type Lightweight Design Using Binder-jet 3D Printing［J］. Materials， 2018， 11（10）： 1941.
[19]	范恒亮，李大胜，王超，等. 增材制造TPMS多孔结构的压缩与吸声性能［J］. 塑料工业， 2025， 53（1）： 90-95.
	FAN Hengliang， LI Dasheng， WANG Chao， et al. Compression and Sound Absorption Properties of TPMS Porous Structures Fabricated by Additive Manufacturing［J］. China Plastics Industry， 2025， 53（1）： 90-95.
[20]	吴耀中，王亚辉，李学鹏，等. 不同参数三周期极小曲面夹层结构三点弯曲性能的有限元模拟［J］. 机械工程材料， 2024， 48（12）： 106-111.
	WU Yaozhong， WANG Yahui， LI Xuepeng， et al. Finite Element Simulation of Three-point Bending Properties of Triply Periodic Minimal Surface Sandwich Structures with Different Parameters［J］. Materials for Mechanical Engineering， 2024， 48（12）： 106-111.
[21]	黄心语，汤华远，王磊. 基于增材制造的三周期极小曲面结构关键力学性能研究进展［J］. 力学学报， 2024， 56（11）： 3099-3115.
	HUANG Xinyu， TANG Huayuan， WANG Lei. Recent Progress on Some Fundamental Mechanical Properties of TPMS Structures Based on Additive Manufacturing［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2024， 56（11）： 3099-3115.
[22]	王兆霖，张志刚，周静，等. Gyroid三周期极小曲面换热构件流动换热特性［J］. 化工进展， 2025， 44（8）： 4454-4462.
	WANG Zhaolin， ZHANG Zhigang， ZHOU Jing， et al. Flow and Heat Transfer Characteristics Based on Gyroid Triply Periodic Minimal Surface Heat Exchange Components［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2025， 44（8）： 4454-4462.
[23]	XU D， ZHAO L， LIN M. Optimization of Porous Structures via Machine Learning for Solar Thermochemical Fuel Production［J］. Progress in Natural Science： Materials International， 2024， 34（5）： 895-906.

航空发动机涡轮叶片光固化增材制造陶瓷型芯轻量化结构力学性能研究

Study on Mechanics Properties of Lightweight Ceramic Core Structure Made of Photopolymerization for Aeroengine Turbine Blades

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 23

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	李志强, 杜军, 崔骜, 万志豪. 熔滴复合电弧增材制造钢/铅双金属结构界面特性与剪切失效分析[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1296-1304.
[2]	卢海飞, 王振宇, 罗开玉, 鲁金忠. 热处理对激光定向能量沉积GH5188钴基合金微观组织与力学性能的影响[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1305-1317.
[3]	姜永亮, 冻瑞岚, 李阳, 李晨龙, 李志鹏, 陈国达. 陶瓷基复合材料增材制造工艺研究进展[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1325-1344.
[4]	姜世杰, 郭佳欣, 刁龙越, 刘显赫, 王金榜, 王宁. ZrO₂生物陶瓷挤出成形支架及其性能研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1345-1352.
[5]	姜礼杰, 杨航, 韩冬, 孙颜明, 王一新, 吴乾坤, 贾连辉. 盾构换刀机器人设计与应用[J]. 中国机械工程, 2026, 37(5): 1037-1044.
[6]	李昀龙, 张大海, 陆方舟, 李彦杰, 徐培飞, 费庆国. 基于铁氧体磁路优化的感应加热效率提升方法[J]. 中国机械工程, 2026, 37(5): 1141-1149.
[7]	王亚男, 彭涛, 熊异, 王黎明, 唐云龙, 唐任仲. 面向增材制造的生态设计：知识驱动的技术框架与应用[J]. 中国机械工程, 2026, 37(4): 780-791.
[8]	王广阳, 纪小刚, 牛国法, 梅剑驰. 密度梯度的IWP点阵结构力-能协同响应[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 192-200.
[9]	王旭浩, 盛卧龙, 吴孟丽, 许贻龙, 赵晓巍, 曹轶然. 可伸缩蛇形臂机器人的设计及运动学建模[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 2885-2893.
[10]	熊晓晨, 周岩, 周祥曼, 吴海华, 华林, 胡泽启, 秦训鹏, 邓少华. 随动热锤辅助水轮机关键过流部件电弧增材再制造强塑协同调控[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 3010-3016.
[11]	吕谦, 刘维伟. 增材喷管收扩段磨粒流光整分子动力学仿真与参数优化研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 3017-3022.
[12]	陈武超, 俞翔栋, 何昆, 张济民. 模块化多胞元永磁推力轴承的承载特性[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2300-2305.
[13]	齐英杰, 李伟, 刘增华, 周亚波, 温泽峰. 针对地铁车辆晃动的轨道几何不平顺敏感波长分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 1925-1933.
[14]	杨凯, 王磊, 汤永凯, 刘谋斌, 郭子傲. 面向高端装备的金属激光增材制造技术发展与应用[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 2068-2080.
[15]	姜峰1, 2, 胡荣辉1, 邓杰东1, 张添1, 黄国钦1, 2, 徐仰立1, 2, 李友生3, 刘超4. 硬质合金刀具增材制造技术发展趋势和展望[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1300-1313.