涡轮榫接结构多层次设计优化方法

针对航空发动机涡轮榫接结构设计优化,根据不同的阶段和要求开展3个层次的优化:二维模型榫接结构基本参数优化、三维带盘模型榫接结构优化以及叶盘结构的气动-结构强度多学科优化.3个层次的优化是迭代进行的,第1层次构建基本的结构参数,第2层次建立在第1层次优化结果之上,同时考虑与轮盘相互影响的重要参数.在第2层次不能达到最优或不满足要求的前提下,开展第3层次的叶盘结构多学科优化研究,通过调整流道等气动参数,达到气动和结构强度两个学科相对最优.结果表明经过优化第1阶段榫接结构最大径向应力降低12.7%,第2阶段轮盘减质量6.9%,第3阶段气动和强度的综合优化效果提升2.4%,得到满足设计要求的榫接结构.      

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。     

涡轮叶片异型冠结构优化设计

在低压涡轮叶片异型冠结构设计研究的基础上,探索异型冠结构优化设计方法。为了达到减轻质量的目的,在传统锯齿冠结构的基础上提出异型冠结构的初步设计方案,并以软件UG NX为平台,实现带异型冠涡轮叶片的参数化设计。通过对异型冠结构参数的灵敏度分析,制定了涡轮叶片异型冠结构的双目标优化设计流程。该方法实现了在保证异型冠结构强度及刚度的前提下,叶冠质量最轻及叶冠质心位置最优调控的目标。优化结果表明:叶冠质量降低了53.05%,最大应力下降了43.41%,最大径向变形量下降了45.80%。      

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。      

高负荷弧形轮毂涡轮盘结构分析与优化

为减轻涡轮盘质量,满足发动机更高推质比的需求,通过ANSYS有限元方法对高负荷弧形轮毂涡轮盘进行了优化分析。从质量和应力两方面对k从0~0.26(k为弧线内凹深度H与轮毂宽度W之比)的涡轮盘进行对比分析。结果表明:(1)随着k的增大,应力分布更均匀且最大周向应力先减小后增大(k=0.12为拐点),平均径向应力和质量减小,但最大径向应力小幅度增大,Von-Mises等效应力因轴向应力的影响有小幅度增大。(2)研究范围内,k=0.12的涡轮盘最优,与传统涡轮盘(k=0)相比,最大周向应力减小11.13%,最大径向应力和Von-Mises应力虽分别小幅增大1.87%和6.49%,但涡轮盘减质3.10%,安全系数均满足要求,提高了材料的利用率与发动机性能。     

涡轮叶片的气动-热-结构多学科设计优化研究

涡轮叶片设计是典型的多学科问题,在保证结果精度的同时必须重视计算效率.通过控制样本的数量和质量,近似模型能够在保证一定精度的前提下,简化多学科优化过程中的数据管理,并提高优化效率.通过分析涡轮转子叶片的气动-热-结构三个学科的设计过程和数据传递关系,充分利用各学科现有的分析工具,建立了涡轮叶片的气动-热-结构多学科优化设计框架.对某涡轮转子叶片分别使用Kriging近似模型和精确分析方法进行优化对比,可以看出两者的结果误差约为1.86%,而效率提高了将近46%,表明采用近似方法的优化结果在工程上是可用的,而且在计算效率更占优势.      

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。     

周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究

为了验证周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的效果，本文在GE-E³高压涡轮第一级的机匣上引入周向单槽式机匣处理，通过数值模拟手段研究了周向单槽的轴向位置、槽宽和槽深对叶尖泄漏流调控的影响及周向单槽调控叶尖泄漏流的物理机制。结果表明：周向单槽的引入虽然会使叶尖泄漏涡尺寸变大，但会显著降低叶尖泄漏涡及机匣通道涡的强度，使得涡轮转子通道内流动总损失降低，涡轮级效率提高。在设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽，可以使涡轮转子通道内的流动损失相对减小9.10%，涡轮转子的效率提高0.40%，级效率提高0.85%。同时发现设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构，在非设计工况时也有良好的控制效果。     

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

航空发动机涡轮叶片的多学科设计优化

叙及了多学科设计优化技术在航空发动机涡轮叶片设计中的应用研究,对涡轮叶片多学科设计优化方法进行设计的具体实施过程进行了介绍,讨论了结构、气动、传热、强度、振动和寿命以及优化算法等跨学科之间进行耦合优化设计的理论和方法。文末给出了一计算实例。      

一种高效的CFD/CSD耦合飞行器多学科优化设计方法

建立了一种基于CFD/CSD (computational fluid dynamics/computational structure dynamics)耦合的多学科优化设计方法.该方法采用结构有限元方程进行结构特性分析,同时采用数值求解N-S方程方法获得气动载荷,保证了设计结果的可信性,并采用基于代理模型的优化设计方法解决了采用高精度模型后计算量太大的问题.采用RBF(径向基函数)插值方法进行流固耦合界面数据插值,保证了传递过程中的能量守恒.利用建立的优化设计方法对一典型的翼身组合体进行了气动和结构优化设计,算例表明在满足约束条件的前提下优化后阻力和质量分别减小了5.0%和4.2%,证明了该方法的有效性.      

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.      

基于并行遗传算法的向心涡轮气动优化设计

为了提高向心涡轮轮周效率,保持流量、膨胀比不变,以流道、安装角、型面为设计变量,基于并行遗传算法的优化方法,对某微型发动机向心涡轮叶片气动性能进行多变量耦合的自动优化设计,利用商用软件NUMECA进行3维流场计算分析,并比较了优化前后向心涡轮转子的总体性能。结果表明:在设计工况下,向心涡轮的轮周效率提高近3%,流量也略有增加,膨胀比近似不变;在非设计工况下,优化叶片效率均高于初始叶片的,向心涡轮的整体性能得到提高。该算法不仅可自动实现多变量耦合优化,而且可高效地得到高气动性能叶片。     

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%.      

倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科优化设计研究

采用了多学科设计优化方法, 根据涡流理论建立了倾转旋翼桨叶空气动力学分析模型, 利用CATIA, ANSYS和ADAMS等软件分析倾转旋翼桨叶结构动力学特性, 采用iSIGHT多学科设计优化软件集成空气动力学和结构动力学分析模型, 建立起倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化系统, 进行多学科设计优化研究.并以倾转旋翼机XV-15的桨叶为算例, 进行设计优化, 结果表明提出的倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化方法是可行和有效的.      

多级涡轮多工况气动优化设计研究

采用将准三维设计和多级局部优化联合的多级涡轮多工况气动优化设计流程对某三级航空发动机涡轮进行多级气动优化设计.优化联合采用人工神经网络和遗传算法对各列叶栅进行三维局部优化,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解.通过优化设计,改善了各列的性能,并对各列间参数进行了优化匹配,两种工况的总效率均提高1%,总流量基本不变,总体性能提高,达到设计要求.