航空叶片有着复杂的外形形状、严格的尺寸精度以及力学性能要求,热模锻成形一直是其主要的制坯方式。叶片锻造工艺复杂,毛坯通常需经多道次变形工步,逐渐接近最终形状而成形。其中,预锻工序―承上启下‖,合理的预成形形状是保证锻件成形质量的关键。因此,深入研究锻件预成形设计方法,对提高材料利用率、改善锻件成形质量、简化后期加工工序以及降低模具磨损与锻造能耗等,具有重要的现实意义。本文以复杂航空叶片精密锻造预成形优化设计为主要研究内容,探索针对大变形问题的拓扑优化方法以实现对三维复杂形状叶片锻造预成形形状的优化设计。复杂形状三维预成形优化设计的核心问题是如何处理设计变量的具体形式以简化优化模型,提高整个优化系统的运行效率和可操作性。目前的预成形优化设计方法通常以表征模型外形控制点或型值点的空间坐标为设计变量,对其在取值范围内连续寻优,直到目标函数收敛至阈值或满足终止条件。复杂的空间模型形状优化往往需要足够多的设计变量来描述外形细节,进而获得较为理想的优化结果。然而,随着优化设计变量的维度以及数量的增多,计算量也将急剧增加,过高的硬件条件要求往往导致优化过程难以实施,这是造成预成形优化在复杂形状设计领域难以开展的主要原因。在连续体结构优化设计领域,拓扑优化方法得到了快速发展,该类方法的设计思想是将整个实体离散成空间网格,在结构进化过程中,通过动态增删这些空间网格来逐渐改变拓扑构形并最终获得满足目标函数要求的结构设计。拓扑网格在整个优化空间中的运动自由度为零,相比于以自由节点形式的设计变量,优化建模的难度大大降低,整个算法实现过程清晰可行。本文借鉴了拓扑优化思想并结合金属体积成形的特点,通过理论建模、数值模拟和实验研究相结合,探索出了基于拓扑优化的复杂形状体积成形预成形设计的新方法,建立了包括“实体模型拓扑化、几何外形近似与重构、有限元成形模拟、数据跟踪处理、拓扑单元动态增删操作、拓扑模型进化”等过程在内的锻造预成形拓扑优化设计平台,成功实现了对平面应变叶片型面二维模型、轴对称盘形锻件二维模型以及复杂叶片三维模型的预成形外形的优化设计。本文的主要研究成果及结论如下:(1)设计出多种满足不同优化目标、面向大变形问题拓扑优化的单元退化/再生准则,探讨了网格依赖性、单元处理速度与最终预成形形状之间的关系,构造了动态的单元处理方法,实现了优化精度与效率的综合提高。(2)针对大变形成形数值模拟过程中普遍存在的网格重划分以及单元细化问题,建立了最终有限元变形单元的状态变量在拓扑构形单元上的映射关系,开发了高精度的单元数据插值算法。(3)针对离散且不规则的拓扑构形需要转换成可用于有限元模拟几何模型的问题,研究并实现了面向三维复杂拓扑模型的表面逼近与光顺算法。(4)编写优化程序,整合了所有算法及过程模块,实现了与DEFORM等有限元仿真软件的对接,开发了复杂锻造预成形拓扑优化设计平台。利用该平台对复杂叶片的预成形形状进行了优化设计,实现了优化过程的系统性、可靠性运行并具有较高的优化效率。(5)通过叶片锻造实验,对所优化的预成形模型进行了验证,结果表明:拓扑优化方法能够较好的实现对大变形条件下复杂预成形形状的优化设计,总体的设计结果较为理想。相比于其它优化方法,拓扑优化方法表形出来以下特点:没有设计变量数量上的严格限制,每次迭代均可较好的反映外形进化的细节。动态的单元增删数量设计,可有效控制预成形模型的进化速度与程度。初始毛坯外形对最终优化结果影响相对较小,模型可实现双向进化,优化设计系统具有较高的优化精度和优化效率。在对平面应变模型、轴对称模型、复杂三维空间模型的优化过程中,所开发的系统均给出了较为理想的优化结果。优化后的预成形形状在充满模腔的前提下,普遍飞边比较均匀且减小;开发的基于应变均匀的单元增删准则可有效提高金属的流动均匀性,降低变形抗力,减小成形载荷,有利于改善锻件的组织和性能。叶片锻造实验验证了复杂叶片预成形形状优化设计结果的准确性。