涡轮转子径向变形多目标协同稳健性优化

考虑到涡轮转子径向变形对涡轮叶尖径向间隙以及篦齿径向封严间隙的影响,提出涡轮转子径向变形多目标协同稳健性优化方法。利用基于Kriging模型的分布式协同响应面法(DCRSM)分别建立涡轮转子和涡轮篦齿的参数与径向变形间的响应面模型,并求解单目标下的稳健最优解。采用理想点法建立涡轮转子和篦齿径向变形多目标协同稳健性优化模型,并进行多目标协同稳健性优化求解。优化结果显示:提出的多目标协同稳健性优化方法与单目标稳健性优化方法相比涡轮转子和篦齿径向变形量的标准差分别降低了2.6%和4.9%。提出的方法为涡轮转子参数设定提供一定的参考。      

航空发动机涡轮叶片径向变形的概率分析

为描述航空发动机涡轮叶片径向位移的变化规律,改善叶尖间隙设计和控制的合理性,考虑多种随机变量,融合有限元和响应面方法进行了叶片径向变形的概率分析。通过对涡轮叶片在典型载荷下的热分析和结构分析,计算出叶片变形随时间的变化规律,并找出最大位移点作为概率分析的计算点;在计算点处考虑热载荷和离心载荷作用,结合响应面拟合蒙特卡洛法计算出了危险点处的叶片径向变形的分布概率和符合设计要求的可靠度,并分析了影响间隙量的随机因素的灵敏度。结果表明：叶片径向变形量和安全变形概率基本符合设计要求;影响叶片径向位移变化的主要因素是温度、转速和质量。     

航空发动机套齿结构配合稳健性优化设计

为了更合理地设计套齿结构的配合关系,提高套齿结构配合精度,适应不对中运行工况,降低对加工误差的敏感度,研究了航空发动机套齿结构在倾角不对中的情况下的运动特点以及配合关系,并推导了含有倾角不对中的套齿结构齿侧间隙以及与之相关的套齿特征量的计算公式,对某型航空发动机的压气机轴径套齿结构进行了计算与分析。在此基础上,考虑到参数的随机性,应用果蝇优化算法对套齿结构齿侧间隙进行了稳健性优化设计。结果表明：计算公式中考虑倾角的影响能够有效地避免运动干涉和装配预应力,稳健性优化设计可以有效地避免由于倾角不对中、加工误差等参数随机因素导致齿侧间隙的设计值偏大。证明了所提出的计算和优化方法可以使套齿结构配合关系的设计更加合理,可为套齿结构设计、装配提供参考。     

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。     

某型航空发动机燃气涡轮转子组件有限元分析

在某型航空发动机试车后,发现涡轮盘、导流盘和封严环组件的压紧螺母与封严环之间出现间隙,为此,对该组件进行了有限元计算分析。计算中考虑了接触、过盈配合及摩擦力,探讨了压紧螺母松动的原因,提出了改进措施,并在实践中进行了验证。     

热和离心力作用下高压涡轮转子的径向变形

热和离心力变化是引起燃气轮机高压涡轮叶顶间隙变化的重要因素,也是转子设计和强度计算中考虑的基本点之一.为了便于进一步研究叶顶间隙变化规律及对轮盘和叶片进行强度计算,本文建立了在热和离心力作用下燃气轮机高压涡轮转子的径向变形模型.定性分析和定量计算了不同工况下热和离心力分别对叶片、轮盘径向变形的影响,以及两者共同作用下的转子径向变形.结果表明,热和离心力作用下,相对于叶片的径向伸长量,轮盘的径向变形量更为显著;热作用是叶片和轮盘发生径向变形的主要因素,但离心力对轮盘的径向膨胀作用相对于叶片要显著得多.     

涡轮转子多尺寸装配可靠性优化分析

为了对航空发动机涡轮转子装配间隙进行优化分析,利用结构可靠性理论对涡轮转子多尺寸装配可靠性进行分析.选取涡轮转子的多个装配关键点,结合蒙特卡洛和装配尺寸链方法,对这些关键点的尺寸进行可靠性计算分析,并针对未达到设计要求的尺寸进行公差修正.结果显示通过公差修正可以提高装配的可靠度和达到满足设计要求,证明了该优化方法的可行性和有效性.     

低惯量涡轮转子结构设计与优化

论述了低惯量涡轮转子结构设计的特点和要求。在发动机载荷条件下,开展了带双辐板涡轮盘的低惯量涡轮转子结构设计研究。特别是针对双辐板涡轮盘结构及其连接结构的设计特点,进行了经验设计、结构拓扑优化和形状优化。对优化得到的两种双辐板涡轮盘结构形式进行了对比分析,并对焊接的双辐板涡轮盘结构的制造工艺进行了简要分析。结果表明,低惯量涡轮转子采用双辐板涡轮盘结构可行,能有效减轻涡轮盘质量,降低转子热惯性和机械惯性。     

梁式管接头结构的稳健性优化设计

为了提高粱式管接头的密封性能,以梁式管接头的结构参数为设计变量,对其进行稳健性优化设计.首先建立了带有椭圆弧凹槽的梁式管接头的有限元模型;其次分别以密封接触表面两道密封的最大接触压力和接触面宽为密封性能的定量指标,建立2阶响应面模型,利用遗传算法对响应面模型进行多目标优化求解;最后在多目标优化模型上增加表征目标函数稳健性的灵敏度附加项,求解得到了梁式管接头稳健的设计参数组合,并通过有限元数值模拟验证了稳健性优化结果的有效性.结果表明:当椭圆长半轴为1.156 mm、椭圆短半轴为0.315mm、第1道密封名义宽度为0.429 mm时,梁式管接头的密封稳健性更好,稳健性设计达到预期目标.     

基于DCRSM的HPT叶尖径向运行间隙可靠性分析

为了有效地进行航空发动机高压涡轮(HPT)叶尖径向运行间隙(BTRRC)设计,从概率的角度进行BTRRC的可靠性分析.根据BTRRC的结构特点,提出了高精度、高效率可靠性分析的分布式协同响应面法(DCRSM),以二次响应面函数为基础建立了DCRSM数学模型,并将DCRSM应用到航空发动机HPT BTRRC的可靠性分析中加以验证.结果显示:当稳态叶尖间隙δ=1.86 mm时,BTRRC的可靠度为0.996 8,综合考虑发动机效率和可靠性,基本上满足BTRRC的设计和工程需要.通过方法比较显示了DCRSM在BTRRC可靠性分析中,不但能解决难以分析的问题,还能在保证计算精度的前提下提高计算速度和计算效率;充分验证了DCRSM在BTRRC可靠性分析中的有效性和可行性,为复杂机械可靠性分析和优化提供了有效依据.     

航空发动机整体叶盘结构刚度的多目标优化

针对航空发动机多级整体叶盘结构在工作过程中变形过大的问题,以参数化结构的多目标优化数学模型为基础,对代理模型生成的响应面进行遗传算法寻优,获取控制条件下的最佳刚度结构,并根据响应面的局部敏感度结果改进了结构方案。结果表明:运用多目标遗传算法能够有效实现多级整体叶盘的刚度优化,最终在控制质量仅增加10.5%的前提下,使最大轴向变形减小28.8%,最大总变形减小1 5.8%;提出的改进结构方案有效改善了结构的抗变形能力,进一步提高了结构的刚度优化潜力。     

基于响应面的涡轮叶片冷却通道设计优化

基于响应面近似技术,对涡轮冷却叶片的气动和传热性能进行了设计优化。以冷却通道肋的位置为设计变量,采用拉丁超立方抽样在变量设计空间里选取样本点,根据样本点建立叶片计算模型,采用流-热耦合分析方法得到叶片气动与传热性能参数,拟合得到叶片壁面最高温度、平均温度和总压损失关于设计变量的四阶响应面近似模型。采用响应面模型动态修正技术,进行了回流式冷却通道的设计优化,得到了优化解,减少了总压损失,使叶片最高温度下降了24.5 K,叶片壁面平均温度下降了34.4 K。     

某型航空发动机涡轮多级气动优化设计

采用将准三维设计和多级局部优化联合的多级涡轮气动优化设计流程,对某型航空发动机3级涡轮进行了多级气动三维优化设计;采用人工神经网络和遗传算法对各列叶栅进行了三维局部优化,流场计算采用全三维黏性流N-S方程求解。通过优化设计,调整了功率分配,改善了各列性能,并对各列间参数进行了优化匹配,使总体性能提高,达到了设计要求。     

基于神经网络响应面的机翼气动稳健性优化设计

针对不确定性因素引起飞机性能波动的现象,探讨了机翼气动优化设计过程的稳健性问题;建立了面向速度和扭转角两个不确定性因素的气动性能稳健性约束模型;在利用MATLAB构造基于均匀设计法的BP(Back Propagation)神经网络响应面基础上,应用遗传算法对机翼分别进行考虑稳健性约束和不考虑稳健性约束的气动优化设计,得到两种不同的优化方案。计算结果表明:两种优化方案的最大升阻比都比初始方案的大;在巡航马赫数下,与不考虑稳健性约束的优化方案相比,考虑稳健性约束的优化方案的最大升阻比小0.027 9,但在马赫数、扭转角对应范围内其最大升阻比的变化量分别小0.034 0和0.001 6,其他气动性能参数也更加稳定,波动更小,气动性能具有更好的稳健性,从而证明本文方法进行机翼气动稳健性优化设计是可行、有效的。     

某型发动机涡轮转子温度和应力测试研究

为确保某型发动机的安全使用,通过对该发动机涡轮转子的温度和动应力进行实测,据此对涡轮转子叶片和盘进行强度和寿命计算。对涡轮转子的叶片和盘进行强度初步计算,确定应力最大点,在发动机实际工作状态下,得到测试部位的实际温度和动应力;利用测试结果,计算确定涡轮转子叶片和盘的疲劳寿命。该研究首次得到了涡轮转子叶片和盘的温度和动应力数据。计算结果表明:涡轮转子叶片的寿命不低于2000 h,涡轮盘的寿命不低于5000 h。     

基于自适应优化方法的响应时间数据分析

温度传感器的响应时间是其重要的特性参数,反应了其动态测试性能。在实际测试中,对于响应时间测试数据采用人工读取的方法得到结果,存在人为因素较多,响应时间结果多次读取不一致,精度难以统一的问题。因此提出采用基于Kriging代理模型的自适应序贯优化方法对测试数据进行寻优拟合计算。通过理论阶跃响应曲线的拟合结果,并加入适当修正,最终得到温度传感器的响应时间计算结果。计算结果表明,该方法可以自动精确计算得到温度传感器的响应时间结果,同时可以对同一温度传感器的多次测试数据进行对比量化判断。与传统人工读取方法相比,该方法具有计算精度统一,自动高效,人为因素较少等优势。