涡轮叶片多学科可靠性及稳健设计优化

为了得到一种适用于涡轮叶片复杂结构并同时考虑可靠性及稳健性的多学科设计优化方法,将6sig-ma可靠性及稳健设计优化方法与多学科可行方法(MDF)相结合,采用二阶Taylor展开法进行可靠性及稳健性分析,实现了涡轮叶片多学科6sigma可靠性及稳健设计优化。使用Kriging近似模型并不断提高模型精度,解决了多学科可行方法计算量较大的问题。实例分析表明,与确定性多学科设计优化相比,采用该方法得到的涡轮叶片可靠性及稳健性均有大幅度提高,同时设计目标最优,满足工程应用的要求,验证了该方法在工程应用中的可行性。     

航空发动机涡轮动叶设计平台的构建与验证

针对航空发动机涡轮叶片的设计流程,开发了涡轮动叶的设计平台。基于气动热力学方法建立了1维性能设计模块;并在研究平面叶栅造型设计方法的基础上,建立了2维气动分析模块,可以实现2维叶型气动性能的快速分析;在实心/冷却叶片参数化设计的基础上,引入多学科可行方法,建立了实心/冷却叶片设计和多学科优化模块。利用所开发的设计平台进行了某型冷却叶片的多学科设计优化,有效提高了该叶片的综合性能,验证了平台的有效性。     

基于Kriging模型的涡轮叶片多学科设计优化

引入基于Kriging模型的近似技术, 建立了一种三维涡轮叶片的多学科设计优化方法.系统介绍了Kriging近似模型, 采用松散耦合方法考虑叶片各学科之间的耦合关系, 在多学科耦合分析的基础上, 采用多学科可行方法与基于Kriging模型的多学科优化方法分别进行了优化和比较.算例表明, 同等条件下相对于前者, 后者能够在精度无明显损失的情况下更快地收敛到最优解, 使涡轮叶片的各项性能得到明显改善, 证明该优化方法是可行有效的.      

基于分解策略的涡轮叶片可靠性及多学科设计优化

将反一阶可靠性分析方法与多学科可行方法相结合,提出了一种适用于涡轮叶片复杂结构的可靠性及多学科设计优化方法.在优化过程中使用Kriging近似模型并不断提高模型精度,解决了多学科可行方法反复调用仿真程序进行多学科分析,计算量较大的问题.该方法将可靠性分析与多学科优化过程分离,提高了优化计算效率.以某型涡轮叶片的设计优化为例,对该方法进行了验证并与传统双循环方法进行了对比.结果表明,优化结果满足可靠性的要求,与双循环方法相比优化效率提高63.8%,证明了该方法在工程应用中的可行性和有效性.      

一类冷却导向叶片的多学科设计优化

提出含冲击、孔排及尾缘劈缝气膜、扰流柱复合冷却方式的燃气涡轮导向叶片多学科设计优化的一种方法.介绍了研究对象的结构特点、换热系数计算方法并给出了部分计算公式.建立了一种一类冷却导向叶片的多学科设计优化模型,以某燃气涡轮导向叶片为例,进行了多学科设计优化,获得了较好的效果.      

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.      

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.      

基于单循环方法的涡轮叶片可靠性及多学科设计优化

为了得到适用于涡轮叶片复杂结构并同时考虑可靠性的多学科设计优化方法,将基于单循环方法的可靠性分析（SLBRA）与并行子空间设计优化方法 （CSSO）相结合,提出了一种基于可靠性的多学科设计优化（RBMDO）方法。在优化过程中使用Kriging近似模型并不断提高模型精度。该方法在计算最可能失效点（MPP）的过程中避免了优化迭代,提高了计算效率。以涡轮叶片的设计优化为例,对该方法进行了验证并与传统双循环方法进行了对比。结果表明,优化结果满足可靠性的要求,与双循环方法相比优化效率明显提高,证明了该方法在工程应用中的可行性和有效性。     

涡轮多学科优化中的气动设计技术探讨

通过对涡轮多学科优化的分析,讨论了多学科优化中的气动设计技术.提出了基于叶栅特征参数和贝塞尔函数的二维叶栅参数化造型方法,并结合积叠轴的掠、弯形成三维复杂几何叶片成型技术.通过对气动优化过程中的数学模型分析,给出了一般要求的约束条件,并根据不同阶段的气动设计和约束条件提出了分阶段嵌套优化方法.针对三维气动计算,对商用软件CFX进行了二次开发,实现了三维计算的自动分网、建模、求解和后处理.最后,结合具体算例完成的优化设计结果表明,其涡轮效率提高了约2.3%,工作叶片数减少13.21%,叶片叶身总质量下降8.96%.      

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。     

航空发动机强度设计系统建设与应用

结构强度设计是航空发动机设计、研制过程的重要组成部分。为了建立适用于航空发动机强度设计的体系平台,提升设计能力,依据航空发动机设计体系建设要求,结合航空发动机强度设计专业工作实际,提出“流程驱动、要素集成”的平台建设思想,并以流程模板的形式驱动工作任务的实施,实现强度设计系统的工程化应用。在系统建设过程中有效运用系统工程以及精细化工程等先进的方法,围绕“适用、好用、真用”的指导思想开展强度设计系统的建设与优化,搭建适合于强度设计专业的设计系统,重点解决工作流程、设计资源、工作任务、数据管理与型号及预研等实际工作相结合的问题,并将此系统应用于型号研制的强度设计工作中。     

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。     

Research on the intelligent design system for investment casting die of aero-engine turbine blade based on knowledge

To solve the problems in turbine blade investment casting die design process such as long design time,lacking of expert experience and low level of intelligence,knowledge-based engineering (KBE) was introduced in the turbine blade investment casting die design field. The key technologies of the intelligent design method were researched and a prototype system was developed. A hybrid reasoning model was prompted in which case-based reasoning (CBR) was applied to conceptual design and rule-based reasoning (RBR) was applied to parts design after research the design process and domain knowledge of casting die. In the conceptual design stage,a retrieval model which integrated nearest neighbor approach and knowledge-based retrieval approach was prompted to improve the retrieval efficiency. Meanwhile,RBR was used to modify the retrieval result. The practical application results indicate that this system can reuse the expert experience efficiently and heighten the die design efficiency and quality.      

基于WEB的固体火箭发动机集成设计平台

为满足固体火箭发动机设计过程对集成的需求,开发了一个基于WEB的发动机集成设计平台,提出了采用J2EE技术构建基于WEB的集成设计平台方案,建立了集成设计平台体系结构,分析了体系结构中每一层内涵,重点对集成平台功能框架层进行了详细分析,给出了基于J2EE的平台软件实现方案。平台实现了发动机设计过程中应用集成、信息集成和过程集成,能够支持优化设计和分布式设计人员的协同工作。通过在某翼柱型装药固体火箭发动机设计中的应用实例表明,该平台能够有效提高设计效率和质量,显著缩短设计周期。     

涡桨发动机动力涡轮设计研究

针对采用常规涡轮设计方法设计多恒定转速涡轮时,存在的难以兼顾不同状态点性能以及设计周期较长等问题,运用动力涡轮多设计点耦合设计方法进行研究。为了验证该方法是否有效,建立了涡轮模型并进行了3维数值模拟,在设计初始时确定了各设计点的性能。结果表明:该方法可以初步计算不同状态点下的速度三角形;在叶片造型时可以根据不同状态下的速度三角形进行优化选取进口几何构造角,使涡轮在不同状态下来流条件较好;多设计点耦合设计得到的涡轮在保证各状态下出口绝对气流角偏离轴向不大的同时各状态之间的效率均较高。     

不完全概率信息的压杆稳定可靠性鲁棒设计

将可靠性设计理论和鲁棒设计方法相结合, 讨论了不完全概率信息的压杆稳定可靠性鲁棒设计问题, 提出了稳定可靠性鲁棒设计的计算方法.把可靠性灵敏度溶入可靠性优化设计模型之中, 将稳定可靠性鲁棒设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题.在基本随机参数的前四阶矩已知的情况下, 通过计算机程序可以实现不完全概率信息的压杆稳定可靠性鲁棒设计, 迅速准确地得到不完全概率信息的压杆稳定可靠性鲁棒设计信息.      

民用飞机延程运行型号设计浅析

延程运行(ETOPS)是保证民用飞机安全飞行的重要运行要求。为了给国内ETOPS型号设计提供指导,对民用飞机ETOPS型号设计进行探索研究。简要介绍了ETOPS概念及其发展历程,梳理了民用飞机ETOPS型号设计的适航要求以及批准方法,通过对适航材料的研究,提出一种ETOPS型号设计思路。本文所提的设计思路能够指导国内民用飞机的ETOPS型号设计。     

航空发动机机载健康管理系统设计方法

为解决航空发动机机载健康管理系统正向设计流程不清晰、设计需求不明确、需求设计对应及追溯不规范的问题，在对 比国内外现有健康管理功能架构体系的基础上，结合正向设计中需求捕获、需求分析和功能分配，研究了由上到下的航空发动机 健康管理系统正向设计基本流程，开发了航空发动机健康管理正向设计流程平台，实现了机载功能架构的设计。引入基于模型的 系统工程思想，采用面向对象的工程设计思路，建立功能目标量化、功能描述、模块定义等图形化设计方法，验证了该设计方法在 硬件设计中的可用性。通过研究航空发动机机载健康管理系统设计方法并分析机载功能组成，建立了可扩展的流程平台，基于模 型设计方法建立了可用的硬件设计模型，可为航空发动机机载健康管理系统设计提供参考。     

军用航空燃气涡轮发动机包装运输设计研究

为了有效防止损伤和环境腐蚀,需要对军用航空燃气涡轮发动机进行良好地包装运输设计。重点分析研究美国发动机的包装运输设计,包括规范与标准、运输装置与运输方式、运输车运输、运输罐运输、托架运输等。简要介绍中国的发动机包装运输设计,比较美国与中国的发动机包装运输设计。提出借鉴美国设计完善和改进中国战斗机发动机包装运输设计的建议。