大膨胀比向心涡轮多学科优化设计及敏感性分析

向心涡轮内部流动复杂,功率密度大且结构限制严,因此,向心涡轮的设计必须考虑到气动、强度、结构等多学科间的耦合问题。采用多学科优化策略是提升向心涡轮气动效率和安全可靠性的一种可行途径。基于向心涡轮结构特点,发展了通用的向心涡轮三维参数化造型方法。耦合多目标优化算法和向心涡轮三维参数化方法,建立了向心涡轮多目标多学科优化设计体系。以频率为约束,以提高总静效率、降低叶根最大应力为优化目标,开展了向心涡轮的多学科优化设计。优化后,在避开所有危险共振频率的前提下,就单一性能指标而言,涡轮级的总静效率最高可提高1.35%,叶根最大当量应力最高可降低12.54%。进一步,对设计空间开展了敏感性分析,揭示了对性能指标影响显著的设计变量,阐明了关键设计变量对性能指标的影响机制。     

基于并行遗传算法的向心涡轮气动优化设计

为了提高向心涡轮轮周效率,保持流量、膨胀比不变,以流道、安装角、型面为设计变量,基于并行遗传算法的优化方法,对某微型发动机向心涡轮叶片气动性能进行多变量耦合的自动优化设计,利用商用软件NUMECA进行3维流场计算分析,并比较了优化前后向心涡轮转子的总体性能。结果表明:在设计工况下,向心涡轮的轮周效率提高近3%,流量也略有增加,膨胀比近似不变;在非设计工况下,优化叶片效率均高于初始叶片的,向心涡轮的整体性能得到提高。该算法不仅可自动实现多变量耦合优化,而且可高效地得到高气动性能叶片。     

S型收缩流道对涡轮通流能力影响的研究

为进一步提高航空发动机涡轮通流能力，以小型跨声速涡轮为原型，研究了静子S型收缩流道对涡轮通流能力的影响。将S型流道直线段长度和收缩段内外圆半径比作为流道造型参数，分别针对原型涡轮静子内外端壁进行调整造型，得到一系列不同参数组合的S型内外端壁涡轮算例。保持膨胀比为设计值不变，利用CFD软件对原型和S型流道涡轮进行设计点模拟分析。结果表明，S型流道涡轮流量提升的原理在于增大的静子喉道面积。在相同造型参数下，S型外端壁涡轮的静子叶根损失被有效降低，流量提升明显，且流量高于S型内端壁涡轮1%左右，但由于最大外径增大使其质量通量提升效果减弱；与之相反，S型内端壁涡轮的质量通量提升明显，且高于S型外端壁涡轮3%左右。从提升涡轮质量通量并保证效率不低于原型的角度看，S型外端壁造型参数选取范围更广。     

涡轮三维叶片气动优化设计集成及应用

采用商业优化设计平台i SIGHT FD,集成涡轮平面叶栅造型程序、叶片三维积叠程序、流道设计软件、网格划分软件Turbo Grid、流场分析软件CFX,开发了涡轮三维叶片气动优化集成系统。该系统由流道优化集成系统、基准截面(根、中、尖)优化集成系统和三维积叠优化集成系统组成。采用该优化集成系统,对弹用发动机低压涡轮导向器进行了三维气动优化设计。结果表明:导向器叶片表面载荷分布明显改善;能量损失较原型降低约7%;在未改变低压涡轮转子的情况下,低压涡轮级气动效率略有提升。     

S弯收扩喷管流动特性数值研究

为了研究S弯收扩喷管的流动机理,数值模拟了不同喷管落压比（NPR）和S形收敛管道出口面积比（A₇₂/A₈）对S弯收扩喷管内流动的影响。结果表明：当S弯收扩喷管处于高度过膨胀状态时,随着NPR升高,非对称分离逐渐转变为对称分离,λ型激波转变为马赫盘结构,气动性能下降,推力矢量角减小;随着NPR继续上升,激波从喷管内移动到喷管出口边缘,并逐渐转变为膨胀波,气动性能上升,推力矢量角减小至0°后保持不变。在完全遮挡高温部件的低可探测准则的约束下,出口面积比A₇₂/A₈的变化主要对S弯收扩喷管收敛段的流动特性产生显著影响,体现在S弯收扩喷管内的局部加速及二次流分布。S弯收扩喷管的气动性能随着A₇₂/A₈增大而提高,但当A₇₂/A₈增大至1.8时,第一弯管道出口上壁面发生流动分离,气动性能显著下降。     

考虑气膜冷却的涡轮静叶三维优化

为研究气冷涡轮叶片设计的特点,搭建了一个可以对采用气膜冷却的气冷涡轮叶片进行全三维优化的平台,该平台可在有冷气喷射的条件下对叶片进行多目标优化.优化平台中采用11参数法对叶片进行造型.针对该造型方法和优化设计的要求对优化变量的选取和优化策略以及优化目标的设定进行了一定的探讨,采用多岛遗传算法对优化问题进行寻优.采用该平台对某航空涡轮第一级静叶进行了优化.由于对不同目标进行了加权处理,所以随着优化目标侧重点的不同,优化方案的叶型呈现出不同特点,其气动效率和冷却效果均有所改善.     

基于改进Split Bregman的电容层析成像滑油监测研究

针对电容层析成像（Electrical capacitance tomography,ECT）技术应用于滑油系统磨粒在线监测时,其图像重建过程中存在的不适定性问题,提出了一种基于迭代p阈值函数的Split Bregman（SB）图像重建算法。首先,建立基于SB算法的ECT图像重建模型。其次,建立基于L_p范数的SB模型。最后,为更方便求解L_p范数的阈值迭代形式,引入了p阈值函数。通过灵活选取p值,提高了SB算法的精度和适用性。仿真实验结果表明,与Landweber,Tikhonov正则化和SB算法相比,改进SB算法图像误差降低了约30%,相关系数高达0.96,成像速度与Landweber成像速度相近。实验结果表明,改进SB算法能够胜任滑油系统磨粒监测任务,并提高了成像质量。     

NURBS曲线及节点插入算法在透平叶片优化设计中的应用

将NURBS曲线及节点插入算法应用到透平叶栅的二维参数化造型,可以兼顾造型参数的实际物理意义和型线调节的灵活性;将控制点可调的NURBS曲线应用到三维叶片积叠线造型,能够构造任意形状的弯、扭、掠叶片。在此基础上搭建的透平叶片三维气动优化平台,将参数化造型、网格自动划分、CFD并行求解集成在一起,应用实验设计和响应面分析方法进行多目标寻优。对某单级实验透平分别进行单排叶片和整级优化后,单排叶片总压损失降低了0.57%;单级绝热效率提高了0.8%。     

非均匀有理B样条曲线及节点插入算法在透平叶片优化设计中的应用

将非均匀有理B样条(NURBS)曲线及节点插入算法应用到透平叶栅的二维参数化造型,可以兼顾造型参数的实际物理意义和型线调节的灵活性;将控制点可调的NURBS曲线应用到三维叶片积叠线造型,能够构造任意形状的弯、扭、掠叶片.在此基础上搭建的透平叶片三维气动优化平台,将参数化造型、网格自动划分、流体计算并行求解集成在一起,应用实验设计和响应面分析方法进行多目标寻优.对某单级实验透平分别进行单排叶片和整级优化后,单排叶片总压损失降低了0.57%;单级绝热效率提高了0.8%.      

涡轮冷却叶片参数化建模及多学科设计优化

建立了一个涉及结构、气动、传热、振动、强度和寿命等学科的涡轮冷却叶片多学科设计优化系统, 进行了单孔薄壁冷却叶片的多学科设计优化.提出了单孔薄壁冷却叶片的参数化造型方法, 叶片叶型采用5次多项式构造, 气动与传热为三维耦合分析;叶片体积平均温度与最高温度为优化目标, 强度、振动和寿命等学科相关参数为约束, 模拟退火与序列二次规划组合算法进行叶片参数空间寻优, 在保持冷却气体流量不变的条件下, 优化提高了冷却效果, 降低了叶片材料的性能要求.      

民用飞机登机门铰链臂结构优化设计方法研究

民用飞机登机门为了满足应急逃生需求,舱门开关需平稳,不能出现明显晃动。登机门铰链臂作为舱门开关过程中的重要连接结构,刚度要求很高,同时作为多个机构的连接界面,载荷工况种类繁多。针对登机门铰链臂结构的设计,提出了较为全面的设计优化流程方法,包含设计空间的定义、载荷及约束、几何重构步骤和强度校核。结合工程经验、拓扑优化以及厚度尺寸优化,能在少量的设计迭代次数下确定铰链臂的外形及尺寸,减少了铰链臂设计周期,实现铰链臂的轻量化设计,同时结构满足强度、刚度、功能性的要求。对于设计中的关键参数的定义和设置,结合工程经验给出建议,形成的通用方法可以推广至多功能,高刚度要求结构,为类似结构的设计提供了参考模板。     

桁架结构尺寸和形状协同优化方法研究

在满足特定规范和约束条件下,设计出重量最轻的结构具有重要的工程意义。提出一种桁架结构形状、尺寸并行协同优化方法,该方法将桁架结构优化问题拆分为形状优化和尺寸优化两个子问题,通过并行协调实现尺寸设计变量和形状设计变量同时达到最优解;完成了三个典型桁架结构形状优化算例,结果表明：该方法对于桁架结构形状优化可行,且算法简洁,收敛快。     

大系统优化方法的实用价值

大系统优化方法是指大规模的线性和非线性规划理论及算法。各种大型的社会经济系统,如通信、运输、分配、能源等管理系统的运行和控制都是大系统优化问题的研究对象。本文着重从宏观角度论述大系统优化方法的实际应用价值。     

气动设计的多目标优化算法比较研究

由于目标函数复杂且流场求解耗时,气动优化设计需要选择搜索能力强且调用目标次数少的优化算法,现有的优化算法种类很多,针对不同类型问题算法性能不同。本文将常用的多目标优化算法进行了分类总结并进行函数测试,判断各个优化算法对不同问题的收敛性和稳定性,找出适合气动优化的多目标优化算法。将该算法应用于气动优化问题当中,进行了针对翼型的气动优化设计,缩短了优化时间,取得了一定的优化效果。     

基于二级优化技术的襟翼导轨设计方法研究及应用

结构质量对飞机的各项性能具有至关重要的影响,为了有效降低飞机结构质量,合理布置材料,提高材料的利用效率,发展一种二级优化设计技术.以外襟翼平面导轨结构为研究对象,将优化设计问题分解成两个易于求解的子问题——顶层优化设计和底层优化设计,顶层优化设计采用拓扑方法确定腹板的加筋形式,底层优化设计采用尺寸优化确定襟翼导轨的厚度分布;通过两层优化,在结构质量最小化的基础上,使得结构形式最优化.结果表明:在保证应力和位移水平的前提下,二级优化设计技术可以快速有效地减轻结构质量,具有一定的工程应用价值.     

基于OPTISTRUCT平台的某飞机摇臂结构优化设计

结构优化设计是将结构重量、结构强度和材料布局等进行最优统筹规划的手段。该文基于Altair Optistruct软件平台,针对一种常见的飞机襟翼摇臂结构,首先,使用拓扑优化方法获得摇臂的初步结构形式;其次,通过尺寸优化方法得到摇臂结构的大致尺寸;最后,综合考虑强度、刚度、加工工艺及材料利用率等因素,确定出优化后的摇臂结构。     

面向机翼气动外形优化的二级优化方法

针对飞机气动外形优化问题,提出了一种流程简单,可同时优化总体外形和剖面形状的二级优化方法.这种方法将优化流程分为总体外形级和剖面形状级两个层次:总体外形级优化任务是将外形参数传递给剖面形状级,并对总体外形进行优化;剖面形状级优化任务是对剖面形状进行优化,并将目标函数和约束值返回总体外形级.二级优化的最终结果可获得最优的总体外形和剖面形状.文章以一个通用航空飞机的机翼为算例,验证了这种二级优化方法的可行性和有效性.     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。     

通用飞行器气动优化设计数字化集成平台——DIPasda

未来航空工业的发展，需要解决多学科综合设计的关键问题，为新型高性能飞行器的设计提供有力的设计方法和设计工具。DIPasda作为复杂外形设计的通用飞行器多学科优化设计平台，研制目的主要是提供一套新型通用、鲁棒、高效的优化设计架构，应用于通用飞行器工业设计环境，改善传统设计耗时低效的状况，提高新型飞行器设计的效率和精度。DIPasda平台系统包含了优化设计过程中所需用到的各类方法，主要包括数值优化算法、几何模型参数化方法、代理模型方法、高精度的学科分析工具等。通过详细介绍平台的系统架构、主要的功能模块、伴随优化设计和多目标优化设计流程，展现了DIPasda平台系统架构设计的灵活性和功能模块的完备性。最后通过优化算例展示了系统的综合优化设计能力。     

钢管订购和运输最优方案的设计

本文讨论了钢管订购费和运费之和最小的运输问题，利用图率和二次规划的知识建立起一个模型。通过对数据的定量分析确定界限，并运用计算机编程个体求解，解决了这个费用最小的问题。