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。     

双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

提出双辐板涡轮盘/榫三维结构优化设计方法,包括:以盘/榫总质量作为目标函数,分部管理的设计参数,盘/榫结构分部快速优化/整体精细优化策略;基于ANSYS软件,建立了双辐板涡轮盘/榫结构优化设计平台.针对某高压涡轮转子,设计了两种双辐板涡轮盘/榫模型,分析了盘缘喉部半径、盘缘厚度参数对盘/榫危险区应力的影响.优化结果表明:双辐板涡轮盘比单辐板涡轮盘应力分布更加均匀;在满足结构强度约束条件下,两种双辐板涡轮盘分别比单辐板涡轮盘减质19.90%和17.35%;对双辐板涡轮盘/榫模型进行优化,采用该优化设计方法的计算时间仅为采用常规三维优化方法的1/3,表明其优化设计方法的合理性及高效性.      

工程化复合材料结构优化设计方法

复合材料结构的可设计性带来大量设计变量,单靠传统方法难以实现结构优化,复合材料结构优化的铺层优化设计也是关键问题之一。从工程实际出发,探讨具有工程操作性的复合材料结构优化设计方法,形成 从结构布置优化到初始尺寸优化,再到详细铺层优化的三级优化设计方法,并在设计过程中加入符合复合材料 工艺要求的制造性约束;以某飞机复合材料垂尾翼盒结构设计为例,采用该方法对其进行优化设计。结果表明:本文提出的三级优化设计方法是适用于航空复合材料结构优化设计的一种通用方法,可降低结构质量、缩短研制周期。     

整体离心叶轮的形状优化设计

本文对离心叶轮的形状优化设计过程进行了研究。提出了整体叶轮结构分析的一种有效的方法, 探讨了其优化数学模型的建立方法, 包括设计变量的选择、目标函数的确定及约束条件的选取。并对某压气机离心叶轮进行了优化, 有效地减轻了叶轮的重量。      

基于双循环的离心叶轮多学科可靠性优化设计

 针对传统多学科设计优化方法中未能考虑不确定因素的问题,开展基于可靠性的多学科设计优化(RBMDO)方法的研究。以离心式压气机叶轮为对象,综合考虑工作状况和材料参数等随机性因素的影响,利用改进的一次二阶矩(AFOSM)法进行可靠性分析,通过双循环策略将多学科可行优化方法与可靠性分析相结合,合理引入近似技术,建立了基于可靠性的多学科设计优化系统。对某离心叶轮进行多学科可靠性优化设计的算例表明,在满足所有可靠性指标的前提下,该方法可实现离心叶轮综合性能的提高,并有效地缩减设计周期。     

基于双循环的涡轮叶冠多学科设计优化

针对经典的多学科设计可行方法(MDF)的低效率问题,开展了利用可变复杂度建模方法改进MDF策略的研究.以涡轮叶冠为对象,综合考虑优化精度和优化效率,利用响应面方法近似高精度分析,简化计算难度,提高优化效率;合理引入可变复杂度建模方法,通过双循环结构优化策略周期性地调用高精度分析更新响应面方程来保证优化精度.基于双循环的涡轮叶冠多学科优化设计(MDO)表明,优化设计目标降低了1.4%,明显好于经典MDF策略(0.97%),整个优化策略共耗时2h39min,仅是经典MDF的优化时间的1/3.     

用于概念设计的离心泵叶轮多目标优化

用两种多目标优化方法对某型液体火箭发动机氧化剂泵叶轮进行多目标优化设计.在优化过程中, 以泵的扬程、效率和泵质量为优化目标, 对叶轮的主要几何参数进行优化.用NCGA(Neighborhood Culti-vation Genetic Algorithm)方法得到优化问题的Pareto前沿;用超传递近似法得到分目标的最佳权值, 进而采用评价函数法求出优化问题的最佳设计值.并分析了主要结构参数对泵性能参数的影响.      

基于Kriging模型的离心叶轮结构优化设计

研究了以减重为目标的航空发动机离心叶轮结构优化问题,将Kriging模型与遗传算法相结合,应用拉丁方试验设计和有限元分析生成初始样本数据,利用初始样本数据建立离心叶轮重量和最大应力等状态参数的Kriging模型,运用遗传算法对该Kriging模型在设计空间进行全局寻优,利用有限元分析方法计算近似最优设计点的状态参数,并以此更新已有的设计样本数据,不断提高Kriging模型的近似精度.计算结果表明,基于Kriging模型-遗传算法的离心叶轮结构优化设计方法不仅可以获得良好的优化结果,比直接用遗传算法寻优减少了大量计算时间,提高了设计效率,同多项式模型-遗传算法相比也有效率优势.     

基于坐标关联法的榫连接结构优化设计

为解决结构优化设计过程中由于几何尺寸干涉而导致的优化过程中断问题,提出并建立一种适于优化设计的结构建模方法——坐标关联法.将该方法应用于航空发动机榫连接结构的优化设计,整个优化过程顺畅,连续完成几何建模790次,未出现由于几何尺寸改变而发生的结构模型无法生成的问题.优化设计结果表明:优化前后的榫连接结构形状虽然变化不大,但最大应力点——榫槽喉部最大应力降幅达19.1%,应力水平降低明显,且结构造型符合工程要求.      

小流量高速离心叶轮参数设计和三维造型

对小流量高速离心叶轮一维气动优化设计及快速三维造型方法进行了研究,并发展了相应的计算程序.采用所述的方法,以Krain叶轮为基准对象,在保证原设计点性能的情况下进行了叶轮的全新参数设计和快速三维造型.造型中对叶片中心线进行了曲率优化控制,使得叶片符合气动性能优良的“S”型叶片.最后采用经校验的CFD软件对新设计的叶轮进行了全三维数值验证.数值验证结果显示:在设计流量时等熵效率为93.9%,增压比为4.794,与Krain叶轮设计点CFD验证的结果偏差分别为0.24%和2.14%,验证了该设计方法及程序的可行性.      

基于粒子群算法的航空离心泵复合叶轮优化设计研究

针对航空离心泵复合叶轮三元扭曲型线的优化设计问题,基于Matlab平台采用五点四次Bezier曲线控制四条轴面流线的空间圆周角度分布,实现复合叶型的参数化设计。在此基础上,应用批处理联合仿真方法对125组优化空间样本进行数值模拟,并以效率函数为目标,基于高斯型径向基函数构建复合叶轮型线参数的性能代理模型。最后采用粒子群算法对优化设计参数进行全局寻优搜索。结果表明,代理模型的修正复相关系数为0.9269,标准差为0.1036,能够满足参数预测的性能要求,优化后整泵水力效率提高2.72%。     

微小型航空燃气轮机离心叶轮拓扑优化设计

离心叶轮是微小型航空燃气轮机中的关键部件,要求其在满足气动性能的前提下,尽量减轻结构重量,传统设计制造技术已基本发挥到极致,但增材制造技术及拓扑优化设计方法的发展为其进一步优化设计拓展了新的空间。针对某型航空微型燃气轮机离心叶轮减重设计问题,依托增材制造和拓扑优化设计技术,在现有设计的基础上,首先对离心叶轮进行静强度分...     

微燃机双面复合叶轮压缩特性

为追求高性能参数、高新技术装备的核心机,基于结构融合、过程融合思想,对传统微燃机核心机进行融合创新。基于3D打印设计制造技术基础,创新设计了一种双面常规叶轮与空心涡轮叶片径向连接为一体的双面复合叶轮结构,有望成为未来极具潜力的高效叶轮。具体对基于双面复合叶轮的微燃机工作原理,结构方案及预期性能进行初步分析,重点对双面复合叶轮的压缩特性与后进气管换热特性进行了数值模拟研究。结果表明:该叶轮相比常规叶轮,压缩特性符合预期,较为理想,在压比、流量、效率方面均有显著提高;后进气管回收4.4 K尾气温度可提高热效率,为高气动性能、高循环参数的燃气轮机发展奠定了基础。     

向心透平叶片角动量分布的优化

 以n条子午流线,给出满足约束条件的各自角动量分布的若干不同组合构成初始复合形,做复合形每一顶点处该向心透平叶轮S2 流面与跨叶片面势流场分析,并以二元紊流边界层动量厚度计算经三元修正,分析叶轮效率,最终使复合形法成功应用于向心透平叶片角动量分布的优化。该方法也适用于离心叶轮中叶片加载量的优化。     

基于Kriging模型的风洞应变天平静态校准方法

本文提出了一种基于Kriging代理模型的风洞应变天平静态校准方法。采用拉丁超立方设计的试验设计（DOE）方法选取校准加载点,以六分量组合加载技术为支撑,采用一阶回归基函数和EXP关联函数对校准数据构建Kriging模型,以电压信号增量和其他条件变量为自变量,通过Kriging模型对天平所受载荷进行预测。校准结果表明,与传统的OFAT（One Factor at A Time）校准方法相比,该方法具有相同的准度,加载点数量极大减少。将该方法应用于某矢量喷管推力测量天平的校准工作中,以通气流量和天平电压信号增量作为自变量,较好预测了喷管产生的推力,解决了传统校准方法难以克服的通气影响问题。     

Optimization on cooperative feed strategy for radial–axial ring rolling process of Inco718 alloy by RSM and FEM

During radial–axial ring rolling process,cooperative strategy of the radial–axial feed is critical for dimensional accuracy and thermo mechanical parameters distribution of the formed ring.In order to improve the comprehensive quality of the ring parts,response surface method(RSM) is employed for the first time to optimize the cooperative feed strategy for radial–axial ring rolling process by combining it with an improved and verified 3D coupled thermo-mechanical finite element model.The feed trajectory is put forward to describe cooperative relationship of the radial–axial feed and three variables are designed based on the feed trajectory.In order to achieve multiobjective optimization,four responses including thermo mechanical parameters distribution and rolling force are proposed.Based on the FEM results,RSM is used to establish a response model to depict the function relationship between the objective response and design variables.Through this approximate model,effects of different variables on ring rolling process are analyzed connectedly and optimal feed strategy is obtained by resorting to the optimal chart specific to a constraint condition.     

基于混合优化算法的无叶片粒子分离器优化设计

将混合优化算法引入粒子分离器优化设计,减小粒子分离器流动损失并简化结构.利用四次样条曲线参数化描述粒子分离器模型,建立粒子分离器自动化仿真流程.采用优化拉丁方实验设计方法获取样本点并建立椭球径向基函数神经网络代理模型,基于该模型使用非支配排序遗传算法进行全局多目标优化,最后采用序列二次规划算法进行局部优化,得到了粗砂分离效率达到100%、细砂分离效率达到86.7%,总压损失小于0.6%、出口总压畸变较小的设计方案.