基于正交试验设计的空心叶片结构优化设计

提出了描述空心风扇叶片几何特征的结构设计参数,并由此建立了空心叶片有限元分析模型,同时为适应优化设计的迭代过程,发展了一种能够自动更新空心叶片结构高质量有限元网格的方法.在对简化的设计变量进行合理假设和离散的基础上,将基于强度约束和质量最小化为目标的优化设计问题转化为寻求无约束多目标优化问题,并通过多轮数值正交试验设计...     

空心风扇叶片结构优化设计方法及程序实现

在空心风扇叶片结构强度分析的基础上,以叶片最大等效应力水平为约束条件,建立了叶片质量和径向位移最小化的双目标优化模型.采用正交试验设计的方法,分析了各设计变量对约束函数和目标函数的影响,减少了设计变量的数量.为了提高优化设计效率,采用径向基函数插值的方法,构造了约束函数和目标函数的响应面替代模型,从而避免了优化设计过程中大量的结构有限元分析求解.针对空心叶片结构强度优化设计的示例,探讨了替代模型和带精英策略的Pareto排序遗传算法的具体应用,得到了分布均匀的Pareto最优解,给出了空心叶片示例的具体优化设计结果.      

树脂基复合材料风扇叶片的优化设计

在深入研究树脂基复合材料的材料属性和设计准则的基础上,提出并建立了一种树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计方法,并对叶片的强度和振动特性进行了研究,结果表明所提出的树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计是可行的,且对于提高风扇叶片的强度和减重起到了显著的效果.在此基础上,以共振裕度为设计目标,提出了树脂基复合材料风扇叶片优化设计的流程,解决了优化过程中学科间、应用软件间的信息传递问题,并实现了叶片铺层顺序设计优化.结果表明:在满足强度约束条件的前提下,树脂基复合材料空心风扇叶片较金属实心叶片质量减少了78.88%,共振裕度增加了8.44%.      

航空发动机风扇叶片伸根段造型设计与优化

探索了航空发动机风扇叶片伸根段造型的优化设计方法,利用它在保持叶身气动设计不变的情况下使风扇叶片振动特性得到改善。建立了基于非均匀有理B样条NURBS (non-uniform rational B-spline)桥接曲线的伸根段造型方法,实现气动叶身与榫头侧面间的光滑连接；通过改变桥接曲线控制顶点的位置实现伸根段造型的参数化设计,并在相关假设条件的基础上提取了完全定义伸根段造型所需的8个设计变量；以风扇叶片共振裕度最大化作为伸根段设计目标,在径向基函数网络(RBFN)与粒子群(PSO)算法的基础上建立了伸根段造型优化设计流程,其原理是构造RBFN近似模型来逼近和预测风扇叶片共振裕度与伸根段设计变量间的隐式目标函数,在此基础上使用PSO算法搜索使共振裕度达到最大化的伸根段设计变量组合。结果表明:某大涵道比宽弦风扇叶片采用上述流程,通过优化伸根段造型使风扇叶片轴向一弯模态的自振频率得到提高,与转速3倍频激振间的共振裕度提高约2%。      

超声速风扇叶型设计研究

为了设计低流动损失超声风扇叶型,研制出基于数值最优化超声叶型设计软件.以叶型主要几何参数为叶型设计参数,针对轴向进气第一级风扇转子采用给定轮缘功、损失最小为目标函数.设计的优化叶型后面大部分呈平直因此气流转角小、减速增压完全通过激波实现.沿弦向叶片厚度逐渐增加使叶栅通道呈收缩,总体上使流过叶栅超声气流得到减速增压.优化叶型所构成叶栅流场具有多道激波、流动损失低.设计结果表明设计方法的可行性,并可为超声风扇叶型设计提供新思路.      

空心风扇叶片高循环疲劳试验设计与验证

基于实际大涵道比航空涡扇发动机宽弦风扇叶片的结构特征，设计、加工了空心风扇叶片结构模拟件，完成了空心风扇叶片高循环疲劳试验设计，并着重对其叶身空心结构部分抗疲劳能力进行了试验验证.试验结果表明试验夹具和试验件的设计能够完成空心风扇叶片高循环疲劳考核的目的.同时，该空心风扇叶片结构叶身部分对应1×107次循环的高循环疲劳强度介于370MPa至400MPa之间，满足其在最大工作状态下疲劳强度不小于324MPa的高循环疲劳设计要求.因试验件数量相对较少，仅获得了给定应力水平下的高循环疲劳寿命数据，后续可按照该技术途径和方法流程适当增加试验件数量，以获取疲劳极限进而构建其应力-疲劳寿命曲线，为工程研制奠定基础并积累数据.      

某结构空心风扇叶片设计与分析

针对宽弦空心风扇叶片技术在大涵道比航空发动机设计中的应用研究,以某型宽弦风扇叶片为对象,探索了无芯结构空心风扇叶片结构设计和快速强度分析方法.定义了无芯结构空心叶片的几何特征参数,提出了1种基于NX Nastran快速强度分析方法,重点分析了加强筋数量、宽度对空心叶片强度和刚度的影响,并分析了制造偏差对结构设计的影响.结果表明:无芯结构宽弦空心风扇叶片设计方法可以实现无芯结构空心叶片结构设计和快速强度分析.     

基于全自由尾涡模型的最佳环量分布风力机叶片气动优化方法

通过优化环量分布,开发了一种快速的风力机叶片气动优化设计方法.方法中引入了全自由尾涡模型,通过并行处理技术和快速多极子方法加速计算.采用傅里叶级数参数化叶片附着涡环量分布,大幅减少了优化变量数目.以风能利用系数为目标函数,以给定轴向力系数为约束条件,获得环量分布后反求得到叶片最优几何参数.最后通过优化美国可再生能源实验室（NREL）实验风轮进行方法验证,结果表明:在约束条件下,当尖速比分别为3.79和4.74时,优化使风轮的风能利用系数分别提升了32%和8%.在无约束条件下,针对不同叶片数和尖速比,分别对原NREL风轮进行全局优化,得到了风能利用系数均超过0.48以上的最优设计.      

航空发动机宽弦风扇叶片鸟撞损伤模型标定

为建立航空发动机风扇叶片抗鸟撞载荷能力的量化预测方法,针对特定的航空发动机宽弦风扇叶片设计,依据发动机在典型工作状态下的吸鸟速度、角度等撞击参数开展叶片鸟撞试验,采用显式动力学数值仿真方法,建立叶片鸟撞试验仿真分析模型,并通过对模型中叶片材料参数、鸟体本构模型参数、鸟与叶片耦合接触参数进行敏感度分析,对模型进行标定.结果表明,标定后的鸟撞分析模型所预测的叶片损伤模式与试验结果一致,预测的损伤位置与试验测量结果误差小于10%.      

大涵道比风扇叶片气动优化设计

应用自动优化方法进行大涵道比风扇叶片三维气动设计,数值最优化采用遗传算法，并利用网络通讯协议实现多CPU并行优化,大幅度缩短优化耗时.对风扇叶片型面、叶片积叠线、子午面流道、叶型安装角和叶型弦长采用基于修改量的参数化方法、结合遗传算法设计参数范围限制,以达到优化过程生成个体的可控制、合理性.采用Denton黏性体积力方法进行流场计算,较大程度减少流场计算耗时，进一步缩短优化时间.以提高设计点风扇效率、保持设计点总压比和流量不变为优化目标,并对非设计点性能进行全工况校核.通过两次不同设计参数设置的优化,最终优化风扇效率由09463提高到09560；稳定裕度由112%增加到219%.最终优化风扇叶尖处激波前马赫数略有下降，且激波向通道内倾斜,因此激波及激波造成的附面层损失下降，且稳定裕度增加.      

基于响应面法的可靠性稳健设计优化

针对极限状态函数和结构性能函数为隐式的结构可靠性稳健设计优化问题,将结构性能稳健性、可靠性灵敏度稳健性与6σ稳健设计思想相结合,建立了一种基于响应面法的可靠性稳健设计优化模型并给出了具体算法.采用多项式拟合结构性能函数和极限状态函数,推导了基于响应面函数的1阶可靠度指标以及性能函数均值和均方差的计算方程;将结构可靠度作为基本约束条件,采用序列二次规划法得到稳健设计优化结果.运用该方法对某涡轮叶片型线进行设计优化,经过优化后,静、动叶的动能效率均值分别提高1.5%和6.4%,动叶片最大应力均值下降7.9%,动叶叶身最大变形均值下降5.6%,动叶片结构强度可靠度由初始的91.3%提高到了99.9%.      

2/3层板结构空心风扇叶片设计与对比分析

针对空心结构风扇叶片设计技术在航空发动机上的应用,分析了2/3层板空心叶片结构特点,提出了1种基于气动数据源的空心叶片结构设计方法,并以某风扇叶片为例开展了2种结构空心叶片设计,有限元对比分析结果表明:2种结构空心叶片在静强度、振动特性方面各有优势,但2层板结构空心叶片可设计性更优,应用前景更好.     

基于低雷诺数条件的风扇/增压级气动设计

本文针对低雷诺数工作条件下的某风扇/增压级进行了通流设计、流道结构设计、各叶片排叶片几何设计及三维数值模拟。在完成气动设计循环、确定风扇/增压级流道结构形式和叶片叶型几何造型等根据设计需求进行的工作之后,使用商用软件NUMECA对该风扇/增压级12 km、0.6 Ma飞行条件100%和95%折合转速以及地面标准大气条件86.6%(简称87%)和80%折合转速的特性曲线进行了数值计算。前者用于考察巡航状态性能及流场特征,后者对应于地面起飞的最大状态。就目前设计方案的三维数值模拟结果表明,外函完全达到了设计需求指标的要求,内函除效率外,其它均达到设计要求。     

全三维、多叶排内外涵风扇压气机叶型优化研究

以某风扇/压气机为研究对象,采用全三维叶型优化方法对研究对象在整机条件下进行优化设计.对优化前后风扇/压气机进行全三维数值模拟并对计算结果进行对比分析研究,结果表明:优化后在不改变风扇级总压比的情况下设计点附近效率提高1.05%;在近设计点叶型改进后明显改善了风扇和外涵静子主流道的流场结构,根、尖两个截面流场显示采用新叶型后对内、外涵静子通道内流动均有不同程度的改善.      

单转子风扇的三维反问题气动设计

采用准三维流函数反问题设计方法与三维 N-S求解方法的相互迭代对单转子风扇进行气动设计。在叶片初步计算中得到叶栅进出口气流角沿径向分布 ,并将它作为本文的目标函数。采用准三维反问题求解方法 ,依次构造出各个 S1流面上的叶片几何形状和气流角分布。然后再采用 N-S方程的求解方法 ,对叶片进行全三维流场的数值计算。通过 N-S方程计算结果与目标函数的对比 ,重新修正叶片出口气流角分布 ,并作为下一次反问题设计的目标函数。经过反问题与 N-S方程求解的反复迭代 ,最终得到满足设计要求的叶型。     

航空发动机风扇叶片的抗鸟撞设计

根据航空发动机结构特征和鸟撞后的风扇叶片损伤特征,提出风扇第一级转子叶片是发动机抗鸟撞关键零件,叶片前缘为抗鸟撞设计关键部位。建立一种风扇叶片鸟撞理论分析方法,研究撞击工况、结构参数与鸟撞过程、损伤模式、损伤程度的关系,提出前缘角度是抗鸟撞能力关键结构参数。当撞击工况确定后,前缘角度决定了撞击形式和叶片损伤模式,影响损伤程度。采用显示动力学仿真分析方法,设计了一种带前缘特征的模型,对前缘角度的影响规律进行了验证,并开展了实际风扇叶片改进设计,改进后的叶片被鸟撞击后变形减小最少33%,抗鸟撞击能力明显提升。     

跨声速风扇叶片的静态气动弹性问题

使用时域的流固耦合数值计算方法,研究了跨声速风扇叶片在气动力和离心力共同作用下的静态气动弹性问题,分析了叶片在不同工况下的变形规律及叶片变形对整体气动性能的影响.NASA rotor 67的静态气动弹性计算说明气动力对叶片最大变形的贡献达13.07%, 而且叶片变形明显地改变了通道激波的位置和强度.宽弦空心跨声速风扇叶片的静态气动弹性计算说明叶片变形对总体气动效率的影响为0.15%~ 0.5%,其中气动力对变形贡献在叶片尖部的前缘可达41%,考虑气动力引起的变形使得该风扇的流量增大,气动特性线整体向右偏移.计算结果说明:气动力的非线性对跨声速风扇叶片静态变形问题有显著的影响,工程实践中从设计叶型到制造叶型的反扭过程应该采用流固耦合方法以得到更准确的叶型.      

基于小生境遗传算法和RANS方程的平面叶栅气动优化设计

发展了一种将小生境遗传算法与RANS方程数值求解相结合的平面叶栅全局优化设计方法.该方法针对遗传算法的搜索原理和平面叶栅的气动外形特点, 提出了与之相适应的Bezier曲线参数化表达, 构造了用于优化设计的适应度函数.优化设计变量是平面叶栅的参数化Bezier曲线特征多边形控制点坐标, 目标函数为极大化叶栅的升阻比, 约束条件综合考虑了叶栅的进出口几何安装角及叶片强度和性能等要求, 约束条件的处理采用松紧罚函数法.优化得到的叶栅升阻比比初始叶栅提高了8.3%.      

风扇转子叶片防颤振设计技术

以某两级风扇为对象开展防颤振设计技术研究。风扇转子叶片设计中，选择了合适的展弦比，既考虑到气动性能水平，还考虑到结构质量和颤振稳定性。采用流固耦合能量法评估所设计风扇的各排转子叶片的颤振稳定性问题，并通过叶片厚度、三维造型、根尖弦长比等设计参数的调整消除颤振风险。研究结果表明:展弦比不应是方案设计阶段防颤设计唯一的关注参数；在叶尖跨声速的转速更容易发生颤振现象；较强的叶尖前缘激波会造成较强的流固耦合作用，形成复杂的气动功分布结构；叶片厚度和尖根弦长比等参数是改善叶片颤振风险的有效参数。      

Parametric study on the flutter sensitivity of a wide-chord hollow fan blade

In recent years, the hollow fan blades have been widely used to meet the demand for light weight and good performance of the aero-engine. However, the relationship between the hollow structure and the aeroelastic stability has not been studied yet in the open literature. In this paper, it has been investigated for an H-shaped hollow fan blade. Before studying the flutter behavior, the methods of parametric modeling and auto-generation of Finite Element Model (FEM) are presented. The influence of the feature parameters on the vibration frequency and mode shape (as the input of flutter calculation) of the first three modes are analyzed by the Orthogonal Experimental Design (OED) method. The results show that the parameters have a more remarkable impact on the first torsional mode and thus it is concerned in the flutter sensitivity analysis. Compared with the solid blade, the minimum aerodynamic damping of the hollow blade decreases, indicating that the hollow structure makes the aeroelastic stability worse. For the parameters describing the hollow section, the rib number N has the greatest influence on the minimum aerodynamic damping, followed by the wall thickness W₅. For the parameters in the height of hollow segment, the aerodynamic damping increases with the increase of parameters M₁ and M₂. This means that reducing the height of the hollow segment is helpful to improve the aeroelastic stability. Compared with the impact of parameters in hollow section, the variation of aerodynamic damping caused by the height of the hollow segment is small.