高推质比双辐板涡轮盘结构研究及光弹试验验证

为了满足高推质比发动机的设计要求,采用渐进结构优化算法对传统涡轮盘进行了拓扑优化,确定了双辐板涡轮盘的结构形式.针对拓扑优化结果对双辐板涡轮盘进行了有限元分析和尺寸优化,使得同等应力水平下的双辐板涡轮盘比传统涡轮盘的质量降低了23.6%.通过三维旋转光弹试验验证了所提出的双辐板涡轮盘结构的合理性和相关计算的正确性.      

低惯量涡轮转子结构设计与优化

论述了低惯量涡轮转子结构设计的特点和要求。在发动机载荷条件下,开展了带双辐板涡轮盘的低惯量涡轮转子结构设计研究。特别是针对双辐板涡轮盘结构及其连接结构的设计特点,进行了经验设计、结构拓扑优化和形状优化。对优化得到的两种双辐板涡轮盘结构形式进行了对比分析,并对焊接的双辐板涡轮盘结构的制造工艺进行了简要分析。结果表明,低惯量涡轮转子采用双辐板涡轮盘结构可行,能有效减轻涡轮盘质量,降低转子热惯性和机械惯性。     

基于ordered-EAMP模型的多材料传热结构拓扑优化

基于多材料变密度拓扑优化方法提出了一种密度指数函数插值的有序多材料性能近似(ordered exponential approximation of material properties,ordered-EAMP)模型,数学性质以及算例表明,与传统的SIMP/RAMP插值相比,该模型具有计算稳定,收敛速度快,优化结构灰度单元少的特点。在优化准则(OC)法求解变密度拓扑优化模型时,构造了一种适用于多材料的密度过滤格式,算例表明:可以有效减少灰度单元,且降低了优化的目标函数值。运用MATLAB-ANSYS联合优化,实现三类热边界条件下复杂热环境的多材料传热结构拓扑优化。相比于高热传导系数的单材料结构,多材料传热拓扑优化结构由于各种热传导系数材料的优化分布,结构的传热势容耗散更小,算例4中对比分析降低了20.3%,传热效率更高。      

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.      

航空发动机高负荷涡轮盘双辐板结构优化设计

转速高负荷重的涡轮盘是发动机重量大户,采用单辐板结构设计难以有效减轻重量。提出并建立了涡轮盘双辐板结构优化设计数学模型及方法,筛选了涡轮盘子午面形状设计参数,建立了应力约束条件,利用AN-SYS优化平台,编制了轮盘结构优化程序。针对典型高负荷涡轮盘结构优化问题,分别进行了单辐板盘和双辐板盘结构优化设计,结果表明,在满足轮盘变形、强度要求的条件下,双辐板盘比单辐板盘重量可减少25.3%,应力分布更均匀,说明对于高负荷涡轮盘,双辐板盘具有明显的优势。     

航空发动机多辐板风扇盘拓扑优化与形状优化设计技术

为了设计出高性能航空发动机风扇盘结构,首先采用基于自适应随机抽样双向渐进拓扑优化方法对风扇盘进行拓扑优化,得到轮盘合理拓扑构型,然后基于该拓扑构型,采用形状优化方法对轮盘构型做进一步优化。结果表明,在满足强度要求下,设计出了高性能的三辐板、四辐板风扇盘最终减重19.23%,21.59%(其中拓扑优化减重17.12%,19.43%),并且最优解应变能密度分布更加均匀,说明了宽弦风扇盘的合理构型是由若干辐板组成的多辐板结构。      

燃气涡轮发动机风扇盘拓扑优化

在连续体结构拓扑优化数学模型的基础上,根据某燃气涡轮发动机设计图建立了1/18循环对称简化的风扇结构模型,基于固体各向同性材料惩罚（SIMP）模型插值的变密度法对结构进行了拓扑优化设计。为了获得更好的风扇盘结构拓扑优化结果,提出了一种将增加质量和整体叶盘结构相结合的方案,并应用该方案,在原始风扇盘模型的基础上设计了三种扩大求解域后的对照模型。对所有的优化结果进行模型重建,并对危险工作条件进行了校核验证。结果表明:采用该方法对某型发动机风扇盘进行结构拓扑优化,能在满足强度和刚度要求的前提下使压气机质量减少349％。     

双辐板涡轮盘盘腔单向流固耦合分析

为减轻质量、提高冷却效率,针对下一代高推重比涡扇发动机高压涡轮盘的优化设计,基于3维双辐板涡轮盘模型进行单向流固耦合分析,通过定常流动换热分析得到该结构盘腔中的流场、压力场和温度场分布,将盘腔表面压力分布和盘体上的温度分布作为载荷传递给盘体,对盘体进行应力分析得到应力场,从而建立起温度场和应力场的直接关联,总结出盘腔转速是影响盘体最大等效应力的关键参数,为双辐板涡轮盘的冷却设计和结构优化提供了数据支撑。     

基于自适应随机抽样敏度分析的双向渐进结构优化方法

为了解决周期循环结构拓扑优化难题,在传统的双向渐进结构优化方法(BESO)的基础上,引入了一种自适应参数策略和随机抽样的方法,提出了基于自适应随机抽样敏度分析的双向渐进结构优化方法,该方法同样适用于非周期结构.以该方法为基础,对Michell桁架结构进行了拓扑优化设计,得到了与理论解一致的结构,并且相对初始结构质量减少了71.5%,说明了所提方法的正确性.基于此方法对多辐板风扇盘进行了结构拓扑优化设计,得到了三辐板风扇盘结构,相比同等设计条件下的参考风扇盘质量减少了17.12%,进一步说明了此方法具有处理复杂周期循环结构拓扑优化设计问题的能力,另外此方法克服了传统双向渐进结构优化方法中容易产生的振荡问题.      

基于MPI的大规模变量结构优化技术研究

针对大规模变量结构优化问题,研究了基于虚载荷法的位移敏度求解理论,提出了惩罚函数随优化迭代次数自适应变化的二次扩展内罚函数法,并结合牛顿法作为优化算法.采用MPI并行技术实现了敏度求解的局部并行计算,解决了大规模变量结构优化技术中的规模和效率问题.采用FORTRAN语言在HAJIF2013系统上对上述方法编程实现,实例表明,优化方法能够快速、稳定收敛到最优解,以及基于虚载荷法的位移敏度解析求解理论的高效性和准确性.     

双辐板涡轮盘盘腔流动换热分析

基于UG软件建立了双辐板涡轮盘的三维模型,基于CFX软件对双辐板涡轮盘盘腔内的流动换热现象进行了数值模拟,获得了典型工况下旋转盘腔内的流场和温度场分布,初步总结了该盘腔结构内的流动换热规律。结果表明:该盘腔结构内的流动形式为典型的源-汇流动,冷气的总压和温度沿径向均逐渐增大,总压增和温度差随转速的增加而增大、随冷气流量的增加而减小,对流换热系数在不同流场区域表现出不同的分布特征。为双辐板涡轮盘的进一步结构优化设计提供了参考。     

双辐板涡轮盘结构强度分析

对双辐板涡轮盘的结构特点和工艺难点进行了介绍,通过与传统涡轮盘进行对比阐述了双辐板结构的先进性,并应用有限元分析软件对传统涡轮盘和双辐板涡轮盘进行了强度分析。结果表明:双辐板涡轮盘在强度和质量方面具有优势,对双辐板涡轮盘未来的研制提出了设想。     

基于可行域调整的多相材料结构拓扑优化设计

针对多相材料结构柔顺度拓扑优化问题及其存在多个局部优化解的情况,提出一种新的多相材料结构柔顺度拓扑优化问题的求解方法, 并研究其获得多个局部优化解及寻找较好的优化解的能力。基于材料属性有理近似 （RAMP）模型,引入可行域调整技术,构建多相材料结构拓扑优化模型及近似优化模型。提出一种改进的交替主动相算法,该算法将多相材料结构拓扑近似优化模型分解为多个含2个主动相材料体积约束的系列二元相拓扑优化子模型,并利用光滑化对偶算法进行优化求解。与现有方法相比,采用多个不同的优化初始拓扑,提出的方法可找到更优的多相材料结构拓扑, 且为多相材料结构拓扑优化的多样性设计提供了一种有价值的思路与方法。     

改型设计中飞机普通框一种设计方法

为了能够合理地降低飞机结构重量系数,针对飞机改进设计,以普通框为研究目标,通过对“敏度阈值”的改进,提出“敏度变阈值”概念,并与“约束补偿”策略结合而形成拓扑优化算法,来用于普通框的轻量化设计。以某一轻型小飞机的后段一普通框为例,拓扑优化结果表明：(1)等材料设计时,刚度提高40％;(2)等刚度设计时,材料用量减少30％。由此可以得出：(1)基于“敏度变阈值”的拓扑优化算法用于飞机普通框改进设计,是可行和有效的;(2)给出了一种具有可操作性的设计方法,用以实现框结构“等刚度”的设计思想;(3)所给出的方法易于飞机结构设计人员接受与掌握,并且方便地用于将来的框结构改进设计之中。     

基于ANSYS的多辐板风扇盘结构 优化设计技术

基于ANSYS优化平台,建立了风扇盘子午面优化设计模型,筛选了主要的优化设计变量.针对典型风扇盘设计问题,分别进行了单辐板及多辐板结构优化设计.结果表明,在满足轮盘变形、强度要求的条件下,多辐板风扇盘比单辐板风扇盘可明显减轻质量,并且其应力分布更为均匀,说明对于轮缘较宽的风扇盘,多辐板轮盘结构具有明显优越性.同时,多辐板轮盘结构还有利于增强轮缘弯曲刚度.      

拓扑优化技术在几何非线性结构刚度设计中的应用

论述了大变形结构的拓扑优化技术。用拉格郎日有限元方法模拟结构的几何非线性特性，用牛顿－辛甫生迭代算法求解平衡方程；用伴随算法计算了目标函数的灵敏度，并且用活动渐近线的方法解决了优化技术问题。为了获得自由方格和独立网格设计而采用了过滤算法；为使计算收敛而采用了连续算法。文中采用了不同的目标函数。对于固定载荷的最小柔度法会导致柔度退化拓扑结构，这些拓扑结构对较小或较大载荷都无效。得到只支持设计载荷退化的“优化”拓扑结构存在的问题要比获得结构线性响应存在的问题更明显。通过优化多载荷条件下的结构或通过最小化辅助弹性功可避免这些问题的出现。列举的例子表明采用线性和非线性模拟方法所得到优化结构的刚度差异基本上很小，但是，在考虑屈曲影响和快速穿透影响等情况时，不同之处却很大。     

位移约束下火箭橇结构拓扑优化方法研究

兼顾安全性与经济性的高性能结构优化设计是结构设计领域的重要需求,面向火箭橇结构的拓扑优化设计对火箭橇试验具有重要意义.本文在火箭橇结构动力学仿真分析的基础上,基于变密度法建立了火箭橇结构的拓扑优化模型,利用伴随矢量求解了目标函数与约束函数关于设计变量的灵敏度,通过移动渐近线算法驱动了设计变量的更新迭代,最后对拓扑优化设...     

考虑承载面最大位移约束的结构拓扑优化方法

在实际工程问题中，存在着一类承受分布力载荷作用的工程结构。为了实现此类结构的刚度设计要求，提出限制承载面变形的拓扑优化设计新模型。模型采用KS包络函数对承载面节点位移进行凝聚化处理，并推导了相应的伴随方程和敏度表达式。遵循独立连续映射法建模方式，采用一阶和二阶泰勒展开分别得到约束函数和目标函数的显式表达式。由此将优化问题转换为一系列标准二次规划子问题，采用序列二次规划算法进行高效、稳健求解。通过二维、三维数值算例验证了提出模型的可行性和有效性。结果表明，所提出的列式和相应的优化求解算法能有效控制结构局部区域的最大变形量。     

基于封严间隙的涡轮盘篦齿综合优化设计

为了降低涡轮盘级间封严发生碰摩的风险,同时保证封严效率不降低和涡轮盘质量不增大,对涡轮盘结构进行优化设计。利用有限元法对稳态下涡轮篦齿径向间隙进行确定性分析,结果表明:3道篦齿的间隙不同;以灵敏度分析的方式确定影响篦齿间隙与涡轮盘质量的关键尺寸,并将其作为优化的设计变量;综合考虑载荷、材料性能、尺寸参数的不确定性和转子不平衡振动进行间隙概率分析,发现第3道篦齿有碰摩的风险;建立以减小前2道篦齿间隙、增大第3道篦齿间隙和不增加涡轮盘质量为约束条件的综合优化模型,并用NSGA-II算法进行计算。优化结果表明:篦齿发生碰摩的风险降低了99.07%,涡轮盘质量减小了0.73%,在不同压比下流量系数减小了5.39%～6.01%,证明该综合优化方法可行。     

飞机加强框的一种结构拓扑优化设计方法

为了能够有效地降低飞机结构承力件的质量,针对飞机骨架,以加强框的概念设计为研究内容,通过对“敏度阈值”概念的分析,指出其不足,提出了“改进的敏度阈值”概念,并与“约束补偿”策略结合而形成新的拓扑优化算法,用于加强框的材料布局设计。多个算例中,拓扑优化结果均显示其结构型式十分新颖,值得深入地探讨。由此可以得出3点结论：(1)采用CAD／CAE和拓扑优化相结合用于飞机加强框的初始方案设计是可行的;(2)作者提出的“改进的敏度阈值”拓扑优化算法是有效的;(3)构建一种具有良好操作性的、有别于经验设计的加强框概念设计新方法。