整体叶盘结构强度减振一体化设计方法

基于软件ANSYS,建立了整体叶盘参数化模型.结合轮盘强度设计应力标准,借助ANSYS优化模块,获得了满足强度要求的最轻整体叶盘模型.分析了整体叶盘的振动特性,研究了轮盘和叶型参数调整对整体叶盘固有频率的影响.在此基础上,研究了通过改变缘板厚度、罩量及叶型厚度等参数使整体叶盘避开低阶激振的结构设计方法.研究结果表明:对于鼓筒约束的整体叶盘,轮盘参数调整可提高整体叶盘低阶耦合振动频率与4E激振频率在最大转速的裕度为2.2%,而叶型参数调整对此裕度的影响可达8%.最终获得的整体叶盘模型在1阶振动避开5E以下激振,并与4E激振频率在最大转速的裕度达10.8%的基础上达到质量最轻,因避频质量增加4.77%,说明整体叶盘结构强度减振一体化设计方法是可行的.      

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.      

航空发动机初步设计阶段涡轮流道多学科优化设计分析方法

针对航空发动机涡轮初步设计阶段,在完成气动流道初步设计的前提下,综合考虑气动流道与叶片轮盘关键结构特征的制约和平衡关系,建立了关于高压涡轮气动流道和转子强度分析的多学科优化模型,进行了以气动流道效率和转子结构质量为目标函数的涡轮流道多学科多目标优化,优化后涡轮转子最大径向应力和最大周向应力分别下降4.62%和10.63%,同时危险截面处的平均径向应力和周向应力也分别下降了42.99%和3%,使涡轮部件气动和结构强度的多学科综合性能提高3.41%.     

基于ANSYS的整体叶盘结构优化设计

为保证整体叶盘结构在安全工作条件下质量最轻,基于ANSYS优化平台,建立了整体叶盘三维参数化模型及结构优化设计数学模型,完成了整体叶盘结构的优化设计.首先结合相关静强度设计准则及方法,在给定轮缘分布载荷条件下对轮盘子午面进行优化.然后建立整体叶盘三维模型,并对子午面优化中未考虑的轮缘关键尺寸如轮缘厚度、喉道倒角、叶根倒角进行三维局部优化.在三维优化中总结出了盘喉道和叶根最大等效应力与各优化参数之间的关系.分两步实施的整个轮盘优化过程仅需3~4h.      

涡轮盘/榫整体结构优化设计方法

考虑到榫联接和轮盘子午面在结构设计时的相互影响,针对典型的枞树型榫联接,提出了通用的榫联结构/轮盘子午面分步优化设计、总体协调的涡轮盘/榫整体结构优化设计方法.基于ANSYS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/榫整体结构总质量最小为优化目标,以涡轮盘/榫联结构关键应力为约束,建立了涡轮盘/榫整体结构优化设计的数学模型.通过对某型发动机涡轮盘和榫联结构设计方案进行结构优化设计,在满足所有几何约束及强度要求的条件下,二齿及三齿盘/榫结构优化后总质量都有明显降低,说明涡轮盘/榫整体结构优化设计方法的合理性;且二齿盘/榫结构的总质量较三齿盘/榫结构明显减小,榫槽底部最大第一主应力也明显降低.任意榫齿数可选的通用涡轮盘/榫整体结构优化设计方法及平台可适用于不同涡轮的结构设计,具有较强的工程实用性.      

考虑榫槽/榫齿配合间隙的叶盘结构疲劳寿命稳健性优化研究

为了更好地满足榫齿结构的设计、加工和制造需求,同时提高叶盘结构的疲劳寿命稳健性,利用有限元方法对不同配合间隙下的应力应变进行计算,揭示并分析了叶盘结构疲劳寿命随配合间隙的变化规律,综合考虑载荷、材料参数、配合间隙不确定性的情况下,利用二次多项式响应面分别建立了随机变量与叶盘疲劳寿命的近似函数关系,并结合多目标规划理想点法建立了叶盘结构疲劳寿命多目标稳健性优化模型。优化结果表明:叶片、轮盘疲劳寿命均值分别增加了3.24%和1.93%,疲劳寿命概率区间分别降低了10.13%和8.16%,叶盘结构疲劳寿命对参数变化的敏感度降低,有利于更加准确地进行寿命评估。     

基于静强和寿命可靠性的双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

为保证双辐板涡轮盘/榫结构疲劳寿命及可靠性,提出基于静强和寿命可靠性的涡轮盘/榫结构优化设计方法.采用盘身轴对称模型和涡轮盘/榫三维模型交替优化策略,进行轮盘静强结构优化.结合材料应力-寿命数据,对满足静强准则的涡轮盘/榫结构进行考虑尺寸效应的寿命可靠性分析,并建立各危险区域给定可靠度的峰值应力-寿命曲线.基于涡轮盘/榫静强优化设计平台,利用给定可靠度的应力-寿命曲线数据修改结构优化单点应力标准.在保证不出现轮盘破裂的前提下,将轮盘寿命可靠性优化的复杂过程简化为基于应力标准的寻优过程.典型例优化结果表明:静强优化后涡轮盘/榫的寿命不能满足设计要求;经寿命可靠性优化后,轮盘疲劳寿命较优化前增加了47.28%,满足寿命可靠性设计要求;且在轮盘静强优化质量减轻16.66％的基础上,再减轻3.43%;该方法在保证优化精度的条件下,可大幅提高优化效率,且易于工程设计中应用.      

离心式压气机耦合松弛多学科设计优化方法

为提高多学科设计优化的寻优效率,以离心式压气机为对象,开展了耦合松弛多学科设计优化方法的研究.针对松散耦合方法建立的离心式压气机的流-热-固耦合分析模型,为了避免反复迭代导致的分析、优化时间过长,构建了分层次的离心式压气机耦合松弛优化设计系统.在气动优化中采用全局寻优算法探索系统最优气动设计方案;在耦合优化阶段,综合考虑学科间耦合及相互作用,在气动优化的基础上局部寻优校验气动优化结果并得到最终设计方案.这种不同复杂层次模型的优化设计有效缩减了系统优化设计周期.     

轮盘超椭圆异型螺栓孔均衡优化设计

基于降低航空发动机轮盘孔结构孔边应力和装配的双重考虑,提出了1种超椭圆曲线轮盘螺栓孔均衡优化设计方法。在降低孔边应力的基础上,引入了异型度概念以表示孔轮廓形状变化幅度,针对孔边应力降低和异型度减小2个互相制约的优化目标,构建了1个均衡优化模型;结合Paret o最优解理论,采用多目标进化算法对轮盘超椭圆异型孔进行寻优,得到了超椭圆异型螺栓孔轮廓的最优解。结果表明:设计得到的超椭圆螺栓孔结构可以在保证可靠传力的同时,使孔边应力降低19%。与其他异型孔方案相比,该模型设计参数少,模型简洁,均衡优化所获得的超椭圆异型孔的设计稳健性较好。     

考虑气动-结构的高空螺旋桨多学科优化方法

为实现高空螺旋桨高效率和轻质量之间的权衡设计,提出一种考虑螺旋桨气动-结构性能的多学科多目标优化设计方法,理论上可得到约束条件下推力最大和质量最小的Pareto解集。但工程应用中,变量太多,可接受时间内仅能获得Pareto解集拟合趋势。为避免优化周期太长,提出以下阶段性优化方法。阶段1：根据上述Pareto解集拟合趋势和平台约束,确定最优桨径;阶段2：进行基于最优桨径的气动优化获得气动外形,结构优化获得结构方案。使用该方法对高空太阳能无人机螺旋桨优化,两个阶段耗时分别为96 h和4 h。对获得螺旋桨制造,仿真和试验,对比结果表明：推力最大误差为10.9%,质量误差为6.9%,刚度误差为15.2%,固有频率误差为15.4%,试验结果也表明该方法的合理有效性。     

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.      

自由网格变形技术在涡轮叶片多学科设计优化过程中的应用

在涡轮叶片多学科设计优化过程中,结构计算的变形向气动模型传递是解决气固耦合时非常重要的一个环节。本文研究了一种网格变形技术———自由网格变形法(FFD)在涡轮叶片多学科设计优化(MDO)过程中的应用。通过涡轮叶片结构模型至气动模型变形传递的例子,表明应用该技术进行变形传递可以避免结构变形向气动网格传递时的气动网格重生成过程,在保证变形后气动模型网格质量的条件下,实现学科间的变形传递,可直接用于解决涡轮叶片MDO过程中学科间解耦的问题。     

基于网格变形技术的涡轮叶片变形传递

为实现学科耦合,需要在涡轮叶片多学科设计优化的气动模型和结构模型之间传递温度、气压和变形等载荷.研究结构变形向气动网格传递的实现方法.参数空间插值方法解决耦合面网格不一致时的变形插值问题;网格变形技术用来调整气动网格内部节点的位置,保证变形传递后的网格质量.某涡轮叶片变形传递实例的表明:该方法能够用于多学科设计优化问题中的变形传递.      

典型涡扇发动机陶瓷基复合材料涡轮叶片概念设计

为了推动先进航空发动机陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮叶片设计技术进步,以典型涡扇发动机基准性能参数为原始数据,按照涡轮叶片正向设计流程,从气动设计,到结构设计,再到变形及强度分析,梳理出以材料强度为约束,发动机推力和耗油率为输入值,涡轮叶片叶身模型为结果的概念设计方法。设计了一种陶瓷基复合材料低压涡轮转子叶片,该叶片实心无冷却,设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果满足设计要求。安全储备系数可达1.8,涡轮盘外载预估减少50%,验证了陶瓷基复合材料用于先进航空发动机热端部件的可行性。涡轮效率提高0.98%～1.17%表明陶瓷基复合材料具有提升先进航空发动机热端部件性能的潜力。