涡轮盘关键部位多圆弧设计及多变量优化

为得到质量最低且满足设计准则要求的涡轮盘结构形式,研究了多圆弧过渡对涡轮盘关键部位应力的影响。提出了双圆弧和三圆弧结构设计方案并推导了几何关系,为过渡圆弧的改进与优化提供了理论上的支持。通过有限元计算,获得了多圆弧结构参数对涡轮盘应力的影响规律。基于ANSYS Workbench优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘总质量最小为优化目标,以等效应力为约束对涡轮盘关键部位进行了多变量优化。结果表明:经过优化设计,两个关键部位的最大应力分别降低662%和11.40%,涡轮盘的质量减小0.16%。本文的研究结果为涡轮盘的多圆弧设计和工程应用提供了有益参考。      

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。     

涡轮转子径向变形多目标协同稳健性优化

考虑到涡轮转子径向变形对涡轮叶尖径向间隙以及篦齿径向封严间隙的影响,提出涡轮转子径向变形多目标协同稳健性优化方法。利用基于Kriging模型的分布式协同响应面法(DCRSM)分别建立涡轮转子和涡轮篦齿的参数与径向变形间的响应面模型,并求解单目标下的稳健最优解。采用理想点法建立涡轮转子和篦齿径向变形多目标协同稳健性优化模型,并进行多目标协同稳健性优化求解。优化结果显示:提出的多目标协同稳健性优化方法与单目标稳健性优化方法相比涡轮转子和篦齿径向变形量的标准差分别降低了2.6%和4.9%。提出的方法为涡轮转子参数设定提供一定的参考。      

低压比煤油涡轮数值计算与优化设计

小流量煤油涡轮泵可用于膨胀循环超燃冲压发动机燃料供应系统,针对特定工况提出了超临界/裂解态煤油基低压比涡轮的数值计算方法和优化设计策略。根据液体火箭发动机中典型的涡轮设计方法获得了低压比煤油涡轮的设计方案,采用湍流模拟方法结合煤油的多组分代理模型对25kr/min转速下的涡轮内部超临界态流动进行数值计算,发现设计方案的轴功率超过所需轴功率的120%,不利于涡轮泵系统在设计点工况下的稳定运转。取涡轮轴功率大于所需轴功率为约束条件,选择涡轮结构尺寸为设计变量,以两个目标量(优化方案的轴功率和效率相对于设计方案的变化率)的加权函数值最大为目标,基于响应面模型和多岛遗传算法开展渐进优化,优化过程中采用i SIGHT平台集成了3维参数化建模和流场仿真等C++程序和软件以实现数值计算自动化。利用试验设计方法建立样本数据库,并进行了涡轮轴功率和效率关于设计变量的灵敏度分析,发现二者成合作关系;所得涡轮优化方案的两个目标量分别下降16.5%和2.9%,以较低的效率损失为代价实现了轴功率的良好配合。     

高压涡轮机匣热固耦合下多目标优化方法

建立了包含高压涡轮(HPT)机匣基本结构在内的轴对称参数化模型,基于热固耦合变形和结构参数灵敏度分析结果,选择了灵敏度高的12个关键结构参数作为优化设计变量,采用第2代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),开展了以机匣等效质量和挂钩处径向平均位移为目标函数的多目标优化。优化结果表明:机匣加强肋结构朝着有利换热的方向发展,其他结构朝着机匣质量减轻的方向发展;优化后模型质量及径向位移量均有所减小。      

基于参数敏感性的涡轮平面叶栅多目标优化设计

涡轮叶片平面叶栅优化方法借鉴已有研究成果,综合考虑了造型方法、性能评估方法、优化方法三个关键环节,在i SIGHT平台下完成了叶栅优化过程集成,建立了适合工程应用的涡轮叶栅多目标优化设计系统。以高压涡轮导叶中截面为例,从参数敏感性、反设计及多目标优化三个方面,对优化方法进行了较为深入的分析。结果表明,该方法可快速有效地优化涡轮叶栅流场和性能。     

基于粒子群算法的多级低压涡轮一维气动优化设计方法

为探究涡轮高效设计技术,从低维优化层面出发,提出了一种基于粒子群优化算法的多级低压涡轮一维设计和优化方法.该方法以涡轮效率为目标,通过建立涡轮子午流道形式以及气动特性等约束条件将涡轮一维设计转化成包含约束限制的极大值优化问题.在验证粒子群算法优化性能的基础上发展了多级低压涡轮一维气动优化设计程序,该程序通过优化地选取涡轮各级的多个设计变量,有效地生成满足多个约束条件的级最佳速度三角形以及最佳初步子午流道形式.利用该程序完成了原型低压涡轮的优化改型工作,三维数值模拟结果表明,优化改型方案在设计点和非设计点的气动性能均获得了不同程度的改善.     

基于iSIGHT的大膨胀比5.0级向心涡轮多目标优化与分析

针对轻量化、紧凑化、高效化的向心叶轮设计需求，对5.0大膨胀比向心涡轮进行三维多目标优化。首先，基于iSIGHT，集成Numeca，CFX软件及自编程序，搭建了三维气动优化集成系统，实现向心涡轮流道、叶片的参数化、网格划分、数值计算及三维结果的自动处理与优化，且其所需的存储空间仅为原优化系统的2.4%，极大地降低了对计算机存储空间的要求；其次，针对向心叶轮造型参数众多所导致的优化规模巨大问题，采用试验设计方法（DOE）详细地开展了流道、叶片的控制参数对涡轮性能的影响研究，得到造型参数对涡轮效率的贡献度，继而给出了优化变量的选取依据，从102个造型参数中选取23个作为优化变量，减少了优化的盲目性，缩短了优化时长，极大地减轻了工作量，提高了优化效率；最后，考虑涡轮性能、排气损失以及叶轮轻量紧凑化的需求，以涡轮总对静效率η_ts，级出口气流角α₆及叶片的表面积A作为优化目标，采用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化并探讨相应机理。优化后，叶轮的轴向长度缩短了8.09%，叶片的表面积减小了8.46%，有效降低了叶轮的尺寸及重量；在保持涡轮进口流函数和膨胀比基本不变的情况下，设计点涡轮总对静效率提高了0.1%，级出口绝对气流角仅降低1°，且不同转速下涡轮的性能基本保持不变。以上研究表明，该三维优化系统和多目标优化方法的有效性。     

飞机多学科设计优化中的并行多目标子空间优化框架

 针对现有的并行子空间优化框架存在的各子空间仅能有一个优化目标等局限,提出了并行多目标子空间优化框架。该框架将各个学科的优化问题由以往的单目标优化改进为多目标优化,使得每个子空间可以分配到多个优化目标、各子空间的设计变量可以重叠,并且在一次优化中就可获得优化问题的Pareto前沿。介绍了新框架的基本思想和流程,并且阐述了新的学科解耦、子空间的并行优化和系统级的设计变量综合方法。以一个飞机总体设计问题为例,考虑气动、隐身与控制学科,对翼面几何参数和控制律参数进行了优化设计,验证了并行多目标子空间优化框架的有效性和相对于已有方法的优势。     

考虑气膜冷却的涡轮静叶三维优化

为研究气冷涡轮叶片设计的特点,搭建了一个可以对采用气膜冷却的气冷涡轮叶片进行全三维优化的平台,该平台可在有冷气喷射的条件下对叶片进行多目标优化.优化平台中采用11参数法对叶片进行造型.针对该造型方法和优化设计的要求对优化变量的选取和优化策略以及优化目标的设定进行了一定的探讨,采用多岛遗传算法对优化问题进行寻优.采用该平台对某航空涡轮第一级静叶进行了优化.由于对不同目标进行了加权处理,所以随着优化目标侧重点的不同,优化方案的叶型呈现出不同特点,其气动效率和冷却效果均有所改善.     

柔性转子的优化平衡

本文提出一种柔性转子优化平衡准则—有约束的最小应变能准则,它能满足航空燃气涡轮发动机结构强度和性能一体化设计的要求。应用该准则时,平衡校正量(大小和方位)是优化参数,转子—支承系统的总应变能为目标函数;转子若干截面的振动幅值作为约束条件。选用了鲍威尔法和网格随机射线法,进行优化计算。编制了优化全过程的FORTRAN程序,并经算例和实验考核、验证。      

多段翼型优化设计计算

 目标函数计算失真和选择合适的间接目标函数以减少机时是多段翼型优化计算要解决的关键问题。通过大量分析计算,对上述问题提出了下述解决办法:限制汇流强度使翼段间缝隙不过分狭窄,以解决目标函数计算失真问题。前缘缝翼优化时,用主翼面上的分离点位置作为间接目标函数;对后缘襟翼则分别以翼型升力值和分离点位置作为间接目标函数,进行优化计算。在间接目标函数优化的基础上再用最大升力系数为目标函数作少量验算即可获得可信的优化结果。实践证明这样可节省大量机时。     

基于二次规划的准解析解法的结构优化设计

一、引言 近年来,在研究具有高计算效率的结构优化方法方面取得了不少进展。特别是利用序列近似问题代替原优化问题的概念是一自然的而又重要的发展。成功的关键在于能否构造恰当的近似优化问题的数学模型,以及能否采用有效的解法。     

滑动轴承最佳稳定性的优化方法

在求解短轴承非线性油膜力作用下轴心涡动轨迹的基础上，给出了轴颈瞬时涡动能量的表达式，建立了以涡动能量的时间积分为最小的具有最佳稳定性的滑动轴承参数优化模型，并采用最优控制理论对这一模型进行了求解，结合算例说明轴承最佳参数的确定方法     

盘形锥齿轮截面形状的优化设计

本文对盘状齿轮进行了优化设计。首先求得固有频率对设计变量的灵敏度系数矩阵,然后用优化的摄动迭代法求出满足频率限制的几种截面形状。从中选取增重最小的为最终结果,并分析了加工精度对齿轮固有频率的影响。齿轮按文中确定的截面形状制造后,实测结果表明优化是成功的。     

射流式旋涡发生器最佳速度比的工程估算方法

本文从分析侧斜射流-横向流干扰的涡流场出发,讨论了用于附面层控制的射流式旋涡发生器速度此的选择问题。提出了使壁面处产生最大涡诱导速度的速度比Ropt.v和使附面层形状因子获得最大改善的速度比Ropt.H。根据涡参数变化的经验关系推得确定Ropt.v的经验公式,结合射孔后倒流区范围的试验结果,可以估算Ropt.H,估算值与平板附面层试验测量结果相符。      

飞行控制系统中最优事前更换策略的研究

为了最大限度地有效地利用现有资源,并尽可能地提高余度飞行控制系统的可靠性,对单点故障单元在发生故障前的某一时刻t₀,采取事前更换或预防性维修,这是一个十分值得研究的问题。 本文对单点故障单元无故障工作时间分布服从K（≥2）阶爱尔朗分布的情况进行了研究（爱尔朗分布在很多实际问题中具有广泛的适应性）,并求出了使连续折扣总期望费用、长期每单位时间平均期望费用达最小的最优事前更换时间t₀^*所满足的方程。这比一般情形的结果简单,易于作数值计算。若利用爱尔朗分布表与指数函数表,用本文的结果作近似数值计算,手算也是可行的。在文章末尾,对K=2的情形,通过一个实例进行了数值计算。     

火箭发动机喷管内型面优化设计

以两种空-空导弹固体火箭发动机喷管作为算例,为此,建立固体火箭发动机的质量模型,喷管的质量比冲模型和目标函数模型,选择五种喷管扩散段内型面:锥形喷管,抛物线喷管,双圆弧喷管,二次多项式喷管和三次多项式喷管,进行优化设计,利用优化理论,成功地完成了五个设计变量的优化问题。优化结果表明,所建立的计算模型是正确的,并可用于其它大中型号的喷管设计。     

多普勒无线电引信最佳炸点的确定

简要介绍了多普勒无线电引信的基本特点,论述了多普勒无线电引信的定位原理,提出了确定多普勒无线电引信最佳炸点的方法.     

非平面机翼最佳弯度面的计算

本文采用涡格法和Lagrange乘子法在给定升力和翼根弯矩约束条件下,可以求得非平面机翼诱阻最小最佳弯度面。计算分两部分进行 1.求解机翼的最佳展向环量分布 采用远场法计算机翼的诱阻时,其值只与展向环量分布有关。因而只需将机翼沿展分成N个条带,在每个条带上布置环量比例因子为δ