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.      

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。     

A GPA diagnostic system foraeroengine applications

In this research, a GPA(Gas Path Analysis) diagnostic system enhanced with GPA Index is described for gas path sensor and component fault diagnosis.A method of measurement correction is used in order that the measurement data obtained at un-standard ambient and operating conditions can be used for diagnostic analysis.The developed diagnostic system has been implemented into a Cranfield University gas turbine performance and diagnostic analysis software PYTHIA for gas turbine performance degradation analysis.The developed method and software have been applied to a model aero gas turbine engine to test the effectiveness of the system.The analysis shows that the developed diagnostic system can diagnose degraded sensor and components effectively using performance deviation measured at un-standard ambient and operational conditions.Theoretically, the idea of the diagnostic approach can be applied to different gas turbine engines.      

某型燃气轮机设计方案技术风险分析

采用风险分析方法对某型燃气轮机设计中所采用的新技术进行了逐项风险分析。分析结果表明,该型燃气轮机所采用的新技术没有高等级风险,项目可靠性高。     

基于网格变形技术的涡轮叶片变形传递

为实现学科耦合,需要在涡轮叶片多学科设计优化的气动模型和结构模型之间传递温度、气压和变形等载荷.研究结构变形向气动网格传递的实现方法.参数空间插值方法解决耦合面网格不一致时的变形插值问题;网格变形技术用来调整气动网格内部节点的位置,保证变形传递后的网格质量.某涡轮叶片变形传递实例的表明:该方法能够用于多学科设计优化问题中的变形传递.      

涡轮叶片的多学科设计优化系统

建立了一个全三维涡轮叶片的一体化多学科设计优化系统, 并对某叶片进行涉及五学科的设计优化分析.在此优化系统中, 采用5次多项式方法进行三维涡轮叶片的参数化建模, 单元线性插值法完成学科间载荷信息的传递, 多岛遗传算法及二次序列规划法联合进行整个优化问题的寻优.实例分析结果表明, 一体化优化使涡轮叶片性能得到明显提高, 所建系统稳定、高效, 具有应用于工程实践的可行性及可靠性.      

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术（free-form deformation,FFD）以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。      

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.      

面向成本的飞机结构优化设计

基于协同优化方法,建立了面向成本的飞机结构优化设计模型.该模型不同于传统的结构设计中以质量最小或结构效率最大为优化目标,而是以寿命周期成本为目标,通过相同的结构尺寸变量将结构质量与制造成本联系起来.其中以重量表征油耗成本,寿命周期成本模型被简化为制造成本和油耗成本的函数.在iSIGHT优化平台实现了这一结构协同优化的过...     

涡轮叶片多重精度MDO方法

考虑到多学科优化设计(multidisciplinary design optimization,MDO)的效率和精度,充分发挥当前涡轮叶片各种精度分析方法的优势,提出了涡轮叶片的多重精度多学科优化设计策略.利用协同优化策略在学科解耦和协调方面的能力,引入包括流固紧密耦合分析、流固热松散耦合分析和近似方程在内的涡轮叶片设计中的多种精度模型,结合两点式标度函数和优化过程阶段性收敛后更新,改进可变复杂度建模方法处理多重精度模型的能力,研究结果表明:仅调用9次高精度流固耦合分析就能确保涡轮带冠叶片多学科优化设计的效率和精度.      

一种高效的基于可靠性的多学科设计优化方法(英文)

Design for modem engineering system is becoming multidisciplinary and incorporates practical uncertainties; therefore, it is necessary to synthesize reliability analysis and the multidisciplinary design optimization （MDO） techniques for the design of complex engineering system. An advanced first order second moment method-based concurrent subspace optimization approach is proposed based on the comparison and analysis of the existing multidisciplinary optimization techniques and the reliability analysis methods. It is seen through a canard configuration optimization for a three-surface transport that the proposed method is computationally efficient and practical with the least modification to the current deterministic optimization process.     

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。      

Theory of an annular corrugated damper in the vibrator precession motion

The theory for calculating elastodamping characteristics of multilayer corrugated dampers being used in the rotor supports of aircraft gas turbine engines (GTEs), turbo-pump assemblies of rocket engines as well as in different articles of machine building industry is presented.     

TTCAN总线的节点设计

针对某燃气涡轮发动机发生的GH4169合金螺栓断裂故障,通过对故障螺栓进行断口宏微观观察、化学成分分析、硬度检测和金相组织分析,以及对未发生断裂失效的螺栓和螺母进行检查与分析,确定了该燃气涡轮发动机螺栓断裂性质为镉脆断裂;与螺母表面的镀镉层紧密接触、受到拉应力的作用以及工作温度较高,是导致螺栓发生镉脆断裂的主要原因。为此,提出了在涡轮后机匣连接部位选用GH4169合金螺母,并在发动机热端零部件连接件中避免使用镀镉层进行表面防护等建议,可供排除类似故障时借鉴。     

基于响应面的BLISS改进方法

在分析研究BLISS(bi-level integrated system synthesis)方法的基础上,提出了一种BLISS改进方法,该方法在子系统级和系统级均引入基于试验设计的响应面进行近似,并设置了可调移动步长参数,不需再进行复杂的灵敏度分析,消除了BLISS方法对每步迭代优化移动步长的限制,减少了优化迭代次数和陷入局部最优的可能性.最后给出两个具体算例对上述方法进行了验证并与传统BLISS方法进行了对比,结果表明:其优化迭代次数分别减少了57.9%和70.3%,证明了该方法的可行性和有效性.      

飞行器多学科综合设计新算法

 为解决飞行器多学科设计优化难点问题,提出圆环图网络设计安排、主要设计变量确定方法、三次黄金分割法确定正交设计水平以及无量纲化多目标处理法,并将正交迭代和神经网络计算相结合以形成一种新算法,来寻求最优解。算例表明算法在飞行器设计中有效。     

某型无人机系统涡轮阻尼器的性能仿真

涡轮阻尼器作为制动装置应用于某型无人机气液压发射系统和拦阻网回收系统.建立了阻尼器的阻尼力矩数学模型,并进行仿真计算和数值分析.结果表明:转子半径、流体介质密度对阻尼力矩的影响起主导作用;定子半径、转子叶片与定子叶片轴向间隙、流体介质动力黏度对阻尼力矩的影响相对较小.采用具有不同结构尺寸和不同流体介质的阻尼器进行阻尼力矩的测量试验,研究结果表明仿真结果与试验结果表现出较好的一致性,证明了阻尼力矩数学模型的正确性,为涡轮阻尼器的工程研制提供可靠的理论依据.      

QD128燃气轮机动力涡轮防振设计

分析了可能引起QD12 8燃气轮机动力涡轮振动超限的各种因素 ,着重阐述了设计中采用的各项相应的防振措施 ,简要介绍了整机试车时动力涡轮的振动情况     

基于UG 的燃气轮机起动离合器动力学仿真

为了解某燃气轮机起动离合器的工作过程,采用UG运动仿真技术对该离合器的起动和脱离过程进行了动力学仿真研究。根据离合器的结构建立了3维实体模型并设置了载荷输入,计算了在起动瞬间制动爪的受力情况和在脱离阶段各零件的运动状态。研究结果表明:在起动瞬间,棘轮和制动爪之间的空程导致了主动与从动部件之间有较大的冲击作用,可能引起零件失效;在脱开阶段,制动爪能与棘轮的棘齿平稳地脱离,没有因为起动电机的扭矩作用或燃机自身的加速而产生刮碰现象。分析了影响最大冲击力的主要因素,并通过仿真得出了空程距离与最大冲击力之间的关系,对离合器的设计和使用提出了建议。