燃气涡轮发动机压气机轮盘拓扑优化设计方法

为填补国内发动机设计体系初始阶段的不足,基于渐进结构法建立了一套适用于燃气发动机压气机转子轮盘的拓扑优化设计方法,充分考虑工程需求,对优化过程中可能出现的主结构断裂、封闭环腔结构问题,以及优化过程不可逆的缺陷,分别提出了限定全局与优化子步中可优化域、人为控制优化进程等应对措施。以轮缘径向位移协调为目标的算例表明,该方法有效提高了轮盘处内流道的保形效果,具有流程可行性与结果有效性,从而具备良好的工程实用性。     

环形过渡元素及其在轮盘振动分析中的应用

 本文发展了联结环形等参数元素和环形厚板元素的一类环形过渡元素,它对于轴对称体的结构动力分析具有重要意义。环形元素采用了半解析的方法,把三维问题降为二维问题来处理,大大节省了计算机存贮量及计算时间。文中对某实际涡轮盘的振动特性进行了计算,其结果是令人满意的。     

轮盘超椭圆异型螺栓孔均衡优化设计

基于降低航空发动机轮盘孔结构孔边应力和装配的双重考虑,提出了1种超椭圆曲线轮盘螺栓孔均衡优化设计方法。在降低孔边应力的基础上,引入了异型度概念以表示孔轮廓形状变化幅度,针对孔边应力降低和异型度减小2个互相制约的优化目标,构建了1个均衡优化模型;结合Paret o最优解理论,采用多目标进化算法对轮盘超椭圆异型孔进行寻优,得到了超椭圆异型螺栓孔轮廓的最优解。结果表明:设计得到的超椭圆螺栓孔结构可以在保证可靠传力的同时,使孔边应力降低19%。与其他异型孔方案相比,该模型设计参数少,模型简洁,均衡优化所获得的超椭圆异型孔的设计稳健性较好。     

基于ANSYS的整体叶盘结构优化设计

为保证整体叶盘结构在安全工作条件下质量最轻,基于ANSYS优化平台,建立了整体叶盘三维参数化模型及结构优化设计数学模型,完成了整体叶盘结构的优化设计.首先结合相关静强度设计准则及方法,在给定轮缘分布载荷条件下对轮盘子午面进行优化.然后建立整体叶盘三维模型,并对子午面优化中未考虑的轮缘关键尺寸如轮缘厚度、喉道倒角、叶根倒角进行三维局部优化.在三维优化中总结出了盘喉道和叶根最大等效应力与各优化参数之间的关系.分两步实施的整个轮盘优化过程仅需3~4h.      

基于Workbench 的多级轮盘组件优化设计

为了改善轮盘的性能,基于Workbench与集成的优化软件opt i SLang建立热与结构耦合的多物理场优化平台,对多级轮盘组件进行了减质优化设计。结果表明:优化后各级轮盘应力及变形满足设计要求,子午面应力储备分布均匀,提高了材料的利用率,低压涡轮盘质量共减轻4.45 kg,达到了预期目标。本优化设计平台为基于轮盘子午面的2维优化平台,可用于轮盘方案阶段的设计工作,为建立更为详细的轮盘3维优化平台提供技术储备。     

轮盘振动特性计算

本文提出了一种计算轮盘振动特性的数值解法。采用薄板和厚板两种理论,将问题化成一阶微分方程组进行数值计算。编制了计算机程序,得出了令人满意的结果。由于没有涉及到复杂的数学问题,计算机程序大为简化,计算时间少。      

基于粒子群神经网络的轮盘优化

将粒子群算法(PSO)和BP神经网络相结合, 构建了一种新型智能结构优化算法.PSO方法除用于结构优化外, 还被用于BP神经网络的构造及网络训练, 使之可自适应调整优化.结构优化中, 以BP神经网络取代有限元方法, 通过设计变量来映射目标函数和约束, 从而大大提高了计算速度.将此方法用于轮盘结构优化, 使得轮盘体积减少了17.5%, 结果通过检验.该方法便捷、高效, 为解决工程结构优化问题提供了一个新途径.      

薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题.考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法--几何背景网格法.该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计.采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计.数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局.     

薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题。考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法——几何背景网格法。该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计。采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计。数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局。     

基于Optistruct的结构静动力拓扑优化设计

基于Optistruct平台,研究了二维平面薄板及三维结构的静力、动力以及静动力联合的拓扑优化,给出了典型结构的算例,对比了优化参数取值不同时所对应的优化结果,探讨了优化过程中的网格依赖性以及拓扑优化的效率等问题.     

双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

提出双辐板涡轮盘/榫三维结构优化设计方法,包括:以盘/榫总质量作为目标函数,分部管理的设计参数,盘/榫结构分部快速优化/整体精细优化策略;基于ANSYS软件,建立了双辐板涡轮盘/榫结构优化设计平台.针对某高压涡轮转子,设计了两种双辐板涡轮盘/榫模型,分析了盘缘喉部半径、盘缘厚度参数对盘/榫危险区应力的影响.优化结果表明:双辐板涡轮盘比单辐板涡轮盘应力分布更加均匀;在满足结构强度约束条件下,两种双辐板涡轮盘分别比单辐板涡轮盘减质19.90%和17.35%;对双辐板涡轮盘/榫模型进行优化,采用该优化设计方法的计算时间仅为采用常规三维优化方法的1/3,表明其优化设计方法的合理性及高效性.      

高推质比双辐板涡轮盘结构研究及光弹试验验证

为了满足高推质比发动机的设计要求,采用渐进结构优化算法对传统涡轮盘进行了拓扑优化,确定了双辐板涡轮盘的结构形式.针对拓扑优化结果对双辐板涡轮盘进行了有限元分析和尺寸优化,使得同等应力水平下的双辐板涡轮盘比传统涡轮盘的质量降低了23.6%.通过三维旋转光弹试验验证了所提出的双辐板涡轮盘结构的合理性和相关计算的正确性.      

涡轮盘结构可靠性与稳健性综合优化设计

初步建立1种综合考虑结构疲劳可靠性与稳健性的航空发动机涡轮盘优化设计方法。根据涡轮盘的结构设计准则,以轮盘的轻质化和低循环疲劳寿命的稳健性作为目标,以结构强度和疲劳可靠性作为约束,采用随机优化方法对轮盘进行优化设计。设计结果表明:由于量化考虑了轮盘的安全性,所以能够得到更精确的约束,从而使轮盘设计质量更轻;而针对稳健性的优化,则降低了低循环疲劳寿命对载荷和材料参数波动的敏感性,提高了涡轮盘的稳健性。     

航空发动机高负荷涡轮盘双辐板结构优化设计

转速高负荷重的涡轮盘是发动机重量大户,采用单辐板结构设计难以有效减轻重量。提出并建立了涡轮盘双辐板结构优化设计数学模型及方法,筛选了涡轮盘子午面形状设计参数,建立了应力约束条件,利用AN-SYS优化平台,编制了轮盘结构优化程序。针对典型高负荷涡轮盘结构优化问题,分别进行了单辐板盘和双辐板盘结构优化设计,结果表明,在满足轮盘变形、强度要求的条件下,双辐板盘比单辐板盘重量可减少25.3%,应力分布更均匀,说明对于高负荷涡轮盘,双辐板盘具有明显的优势。     

涡轮盘优化设计中的热边界载荷控制效果研究

针对航空发动机涡轮盘结构优化设计,在等热负荷及等冷气耗量前提下,采用热边界载荷控制构建轮盘上有利的温度分布,以ISIGHT软件为基础搭建的集建模-CFD分析-FE（有限元）分析-优化设计在同一流程下的多学科优化设计平台为工具,研究热边界载荷优化在涡轮盘优化设计中的应用效果.结果表明:热边界载荷的优化可以实现质量减轻和应力水平同时下降的目的,下降水平决定于热边界载荷分配系数,当热边界载荷分配系数取0.1和0.2时,盘心最大等效应力下降值分别为5.93%和12.01%,质量下降值分别为1.25%和2.24%.      

涡轮盘低循环疲劳的概率设计

基于涡轮盘结构的低循环疲劳设计流程,将概率设计理念融入设计过程中,提出了涡轮盘低循环疲劳的概率设计流程。首先进行涡轮盘结构的优化分析,其中以确定性设计准则作为约束条件;以优化结构方案为基础,考虑参数的随机性,对涡轮盘低循环疲劳进行可靠性分析;以低循环疲劳寿命的可靠度为概率设计准则,对涡轮盘进行反复的设计和计算验证,通过修改结构尺寸完成涡轮盘低循环疲劳的概率设计。同时,根据灵敏度分析结果,讨论了设计变量的分散性对涡轮盘寿命的影响,为进一步提高结构的可靠性提供了新的研究思路。结果表明,按照概率设计观点确定的涡轮盘结构兼顾性能和可靠性,在满足可靠度的前提下降低涡轮盘的重量。同时该概率设计流程简单方便,易于工程的推广应用。     

应用基于FEM的预成形最优化方法提高锻件变形均匀性

锻件变形分布不均匀将导致锻件各部位的组织和性能产生很大差异。应用基于正向有限元数值模拟和最优化方法进行坯料预成形设计的新方法,可显著提高锻件各部位的变形均匀性。首先介绍了以提高锻件变形分布均匀性为目的的坯料预成形最优化方法的基本原理,并针对典型的IN718合金涡轮盘锻件进行了坯料预成形设计。给出了预成形坯料与普通圆柱坯料的对比结果,并进行了相应的试验验证。结果表明,应用这种方法对IN718合金涡轮盘锻件进行坯料预成形设计,可使盘锻件各部位变形均匀性明显改善。     

An equilibrium multi-objective optimum design for non-circular clearance hole of disk with discrete variables

An Equilibrium Multi-objective Optimization Model(EMOM) with self-regulated weighting factors has been proposed for the optimum design of non-circular clearance hole on the front flange of turbine disk. In the ‘‘equilibrium design", both the stress decrease around the hole and the least hole's profile variation are considered, which balances two ambivalent design goals. Specific discrete variables are applied to realize the standardization design in the optimization process, in which a Surrogate Genetic Coding Algorithm(SGCA) is introduced, and a special check module is used to get rid of repeated fitness evaluation of the samples. The method offers an equilibrium design for the non-circular clearance hole of the turbine disk with great accuracy and efficiency.     

基于静强和寿命可靠性的双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

为保证双辐板涡轮盘/榫结构疲劳寿命及可靠性,提出基于静强和寿命可靠性的涡轮盘/榫结构优化设计方法.采用盘身轴对称模型和涡轮盘/榫三维模型交替优化策略,进行轮盘静强结构优化.结合材料应力-寿命数据,对满足静强准则的涡轮盘/榫结构进行考虑尺寸效应的寿命可靠性分析,并建立各危险区域给定可靠度的峰值应力-寿命曲线.基于涡轮盘/榫静强优化设计平台,利用给定可靠度的应力-寿命曲线数据修改结构优化单点应力标准.在保证不出现轮盘破裂的前提下,将轮盘寿命可靠性优化的复杂过程简化为基于应力标准的寻优过程.典型例优化结果表明:静强优化后涡轮盘/榫的寿命不能满足设计要求;经寿命可靠性优化后,轮盘疲劳寿命较优化前增加了47.28%,满足寿命可靠性设计要求;且在轮盘静强优化质量减轻16.66％的基础上,再减轻3.43%;该方法在保证优化精度的条件下,可大幅提高优化效率,且易于工程设计中应用.      

涡轮盘/榫整体结构优化设计方法

考虑到榫联接和轮盘子午面在结构设计时的相互影响,针对典型的枞树型榫联接,提出了通用的榫联结构/轮盘子午面分步优化设计、总体协调的涡轮盘/榫整体结构优化设计方法.基于ANSYS优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘/榫整体结构总质量最小为优化目标,以涡轮盘/榫联结构关键应力为约束,建立了涡轮盘/榫整体结构优化设计的数学模型.通过对某型发动机涡轮盘和榫联结构设计方案进行结构优化设计,在满足所有几何约束及强度要求的条件下,二齿及三齿盘/榫结构优化后总质量都有明显降低,说明涡轮盘/榫整体结构优化设计方法的合理性;且二齿盘/榫结构的总质量较三齿盘/榫结构明显减小,榫槽底部最大第一主应力也明显降低.任意榫齿数可选的通用涡轮盘/榫整体结构优化设计方法及平台可适用于不同涡轮的结构设计,具有较强的工程实用性.