自由网格变形技术在涡轮叶片多学科设计优化过程中的应用

在涡轮叶片多学科设计优化过程中,结构计算的变形向气动模型传递是解决气固耦合时非常重要的一个环节。本文研究了一种网格变形技术———自由网格变形法(FFD)在涡轮叶片多学科设计优化(MDO)过程中的应用。通过涡轮叶片结构模型至气动模型变形传递的例子,表明应用该技术进行变形传递可以避免结构变形向气动网格传递时的气动网格重生成过程,在保证变形后气动模型网格质量的条件下,实现学科间的变形传递,可直接用于解决涡轮叶片MDO过程中学科间解耦的问题。     

基于网格重生成的涡轮叶片变形传递方法

在涡轮叶片多学科优化中需要在气动模型和结构模型之间进行耦合信息(气压、温度和变形等数据)传递,来考虑学科耦合的性质.采用修正几何外形和网格重生成的方法实现了叶片结构变形向气动模型传递.传递时在叶片几何模型上增加若干外形控制线,叶片的外形由这些控制线的形状来决定.根据叶片结构变形,调整控制线节点位置坐标,以修改叶片外形控制线的形状,可以实现变形向叶片几何模型的传递.进一步,重新生成气动网格,可以得到结构变形后叶片的气动网格模型.      

涡轮叶片多学科设计优化中的多学科可行解耦

为解决涡轮叶片多学科设计优化过程中的解耦问题,将多学科可行解耦方法应用于涡轮叶片气动、传热及结构三学科的解耦。将气动、传热分析载荷下的叶片变形作为解耦循环结束与否的判断标准;解耦循环中的关键步骤——学科间的载荷传递及变形传递分别用单元内线性插值法及自由网格变形技术实现。某涡轮叶片初始设计点的解耦算例表明,解耦循环结束前收敛标准降幅达90.74%,气动、传热及结构得到了完全解耦。整个过程表明,多学科可行解耦方法虽然解耦效率有限,但在解决学科间耦合问题时具有较好的稳定性、准确性及可操作性。     

基于网格参数化变形的单级涡轮多学科可靠性设计优化

基于自由变形技术发展了一种可以协调实现流场、结构分析网格参数化变形的方法,并实现单级涡轮的多学科可靠性设计优化。针对流场分析网格展向积叠的特征,将三维网格变形转化为不同叶高二维截面的网格变形;根据二维流场分析网格的拓扑结构,设计二维控制面,基于叶型设计参数建立叶型控制点、其他控制点伴随叶型控制点移动,实现了网格的参数化变形,避免了网格畸变、提高了网格变形的质量;不同叶高的二维控制面组成控制体,实现三维流场分析网格的参数化变形。采用相同的控制体进行结构分析网格的变形,实现了耦合界面网格协调变形。基于Kriging代理模型进行单级涡轮的多学科可靠性优化,在满足可靠性约束的情况下效率提高4.97%、寿命提高40.86%,证明了方法的有效性。      

学科间载荷参数空间插值传递方法

针对多学科优化分析中面面耦合学科网格间载荷传递的问题, 提出了在参数空间中的三次函数插值传递方法.该方法将三维空间的源学科载荷点投影到二维参数空间平面上, 用三次插值函数对目标点载荷进行计算.此方法解决了叶片表面弯曲对载荷传递精度的影响.某涡轮叶片温度传递的结果表明本文的方法具有很高的精度.      

涡轮叶片的气动-热-结构多学科设计优化研究

涡轮叶片设计是典型的多学科问题,在保证结果精度的同时必须重视计算效率.通过控制样本的数量和质量,近似模型能够在保证一定精度的前提下,简化多学科优化过程中的数据管理,并提高优化效率.通过分析涡轮转子叶片的气动-热-结构三个学科的设计过程和数据传递关系,充分利用各学科现有的分析工具,建立了涡轮叶片的气动-热-结构多学科优化设计框架.对某涡轮转子叶片分别使用Kriging近似模型和精确分析方法进行优化对比,可以看出两者的结果误差约为1.86%,而效率提高了将近46%,表明采用近似方法的优化结果在工程上是可用的,而且在计算效率更占优势.      

离心式压气机流-热-固耦合分析

利用松散耦合方法建立离心式压气机稳态流-热-固耦合模型,将离心式压气机解耦成气动、传热和结构三个子系统,子系统间存在热、力和变形的传递。由于不匹配的网格划分,利用反距离平均方法构造插值函数实现热与力向结构的传递,采用统一有限元模型实现热-固顺序耦合分析,利用网格重生成技术实现结构变形到气动分析模型的传递。经过3次迭代离心式压气机耦合系统达到收敛。结果表明,分析的离心式压气机内部流-热-固耦合强烈,耦合解法与非耦合解法得到压气机响应存在较大差异,对于多学科耦合强烈的构件,需要考虑学科间的耦合效应反应真实的工作状况。     

航空发动机涡轮叶片的多学科设计优化

叙及了多学科设计优化技术在航空发动机涡轮叶片设计中的应用研究,对涡轮叶片多学科设计优化方法进行设计的具体实施过程进行了介绍,讨论了结构、气动、传热、强度、振动和寿命以及优化算法等跨学科之间进行耦合优化设计的理论和方法。文末给出了一计算实例。      

基于共模型技术的大展弦比飞机气动/结构耦合性设计

在考虑弹性变形情况下,以大展弦比飞翼飞机为例,对气动/结构耦合设计方法进行研究提出了几何/结构/气动的共模型技术.首先是基于共模型技术生成表面气动网格和空间气动网格以及结构有限元网格,并实现气动载荷在结构模型和气动模型间的数据传递,最后进行气动/结构耦合计算分析,在进行气动/结构耦合计算分析时要进行多次迭代,直到结构变...     

基于MDO体系的涡轮叶片热-结构耦合分析

在涡轮叶片参数化建模和气动分析基础上,开发了三维坐标插值程序,实现了学科间载荷信息传递;基于经验准则公式,开发了换热系数计算程序;在研究ANSYS软件参数化设计语言的基础上,利用插值及换热程序输出APDL参数化加载宏文件,实现了边界条件的精确加载;基于ANSYS软件APDL命令流,设计了涡轮叶片热分析模块及热-结构耦合分析模块,为建立涡轮叶片MDO体系奠定了基础。     

精铸过程位移场的数值模拟方法

为了保证精铸件的成形精度,制造所用的模具型腔必须对铸件的收缩变形进行补偿。提出一种精铸过程位移场的数值模拟方法：通过涡轮叶片的精铸实验,测量与分析铸件上特定位置的温度值变化曲线,反向求解了界面换热系数随时间的变化关系,提高了铸件凝固过程中温度场数值计算的精度。通过设置适当的工艺参数和边界条件,基于熔模铸造温度场和应力场,对精铸过程进行耦合计算,得到了较为精确的凝固过程位移场,与实测结果吻合较好,为精铸涡轮叶片模具型腔的优化提供了量化参考依据。     

大型风机启动力矩计算研究

本文应用直升机空气动力学载荷计算方法,对大型风力发电机组叶片启动力矩进行计算,为大型风力发电机组叶片的研制提供可行的计算方法。     

水平轴风力机叶片气弹建模与响应分析

基于Hamilton原理在惯性系下建立叶片动力学方程。针对风力机预弯叶片,引入上反坐标系描述叶片的预弯变形。叶片结构动力学模型基于中等变形梁理论,引入Hartenberg-Denavit增广转换矩阵,应用5节点18自由度梁单元模型进行叶片离散。翼型气动力计算采用Pierce修正的风机Leishman-Beddoes非定常气动力模型,入流模型采用Suzuki广义动态尾迹入流模型。利用Newmark数值积分方法获得叶片气弹响应的稳态周期解。分别以美国国家可再生能源实验室Phase VI非定常空气动力学实验及其公开的1.5MW风力机叶片为算例计算了有/无预弯叶片的气弹响应,验证了本文所建模型的正确性。     

涡轮榫接结构多层次设计优化方法

针对航空发动机涡轮榫接结构设计优化,根据不同的阶段和要求开展3个层次的优化:二维模型榫接结构基本参数优化、三维带盘模型榫接结构优化以及叶盘结构的气动-结构强度多学科优化.3个层次的优化是迭代进行的,第1层次构建基本的结构参数,第2层次建立在第1层次优化结果之上,同时考虑与轮盘相互影响的重要参数.在第2层次不能达到最优或不满足要求的前提下,开展第3层次的叶盘结构多学科优化研究,通过调整流道等气动参数,达到气动和结构强度两个学科相对最优.结果表明经过优化第1阶段榫接结构最大径向应力降低12.7%,第2阶段轮盘减质量6.9%,第3阶段气动和强度的综合优化效果提升2.4%,得到满足设计要求的榫接结构.      

基于威布尔的发动机涡轮叶片寿命可靠性评估

在发动机涡轮叶片寿命层面上提出了三参数的威布尔分布,确定其寿命的实际分布,为发动机涡轮叶片的可靠性定量评估提供了一种切实可行的方法．其可行性已被初步的实验证实。同时也为航空公司合理备件、节约备件库存量提供参考,对提高公司的运作效益有着重要的意义。     

空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟

以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象,采用高质量的流体域和固体域网格控制技术,带转捩模型的双方程SST湍流模型,开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比(分别为1.0%,1.38%,1.8%和2.2%)、温比(分别为2.1,2.25,2.3,2.4和2.5)和压比(分别为1.4,1.6和1.8)对叶片换热特性的影响规律,设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%,气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好,验证了气热强耦合计算方法的精度,为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。     

复合式气冷涡轮叶片内流动和换热计算

本文给出了复合式气冷涡轮叶片内冷气流量分配、温增加和换热系数迭代求解方法和计算实例 ,还讨论了转动效应对冷气流动和换热和影响。并成功地应用于高性能推进系统气冷叶片的设计 ,同时也可用于气冷涡轮叶片改型和模底分析、验算