[发明专利]基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法，特别涉及一种基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法。

背景技术

航空发动机涡轮盘为航空发动机中的关键零件之一，其体积和重量较大，在工作中受载荷包括涡轮盘高速旋转产生的自身离心力和叶片离心力，以及来自燃烧室高温、高压燃气的温度梯度载荷和叶片气动载荷等。因此涡轮盘在工作中所承受的载荷比较复杂，容易产生应力集中现象，降低其疲劳寿命。

文献“朱继宏，李军朔等，现代形状优化技术在航空发动机零部件设计中的应用。航空制造技术，2012（23/24）”公开了一种多圆弧曲线形状优化设计方法，实现了带辐板涡轮盘内腔的形状优化。文献公开的方法第一步使用常规的自由曲线进行优化迭代，这一步的结果对最终的形状优化结果影响并不大，因此这一步的迭代大大浪费了计算机机时，增长了优化设计周期。第二步采用多弧段曲线对自由曲线优化结果进行逼近，第三步采用多弧段的边界条件，重新定义圆弧设计变量，然后再次进行优化迭代，增加了整个优化过程中所需定义的设计变量个数，增加了优化过程的复杂性。优化后得到的多圆弧曲线，使用数学方程描述比较困难，需要知道每段圆弧曲线的起点、端点以及半径才能将其完整地描述。

文献所述方法的自由曲线初始设计的应力最大值为912MPa，多弧段曲线优化设计后的最大应力为842.7MPa，降幅为7.6%。

发明内容

为了克服现有多弧段曲线形状优化设计方法设计周期长的不足，本发明提供一种基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法。该方法采用超椭圆曲线边界条件对带辐板涡轮盘截面进行有限元建模、分析和灵敏度求解，由求得的灵敏度信息进行优化迭代，直至收敛到最终的设计结果。这种方法能够对涡轮盘内腔的初始形状轮廓进行有效的优化设计，设计周期短，并获得较好的应力水平分布设计，同时设计结果表述清晰。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、定义超椭圆曲线的控制参数，构造超椭圆曲线。超椭圆曲线的解析式方程为：

(xa)η+(yb)η=1---(1)]]>

其中，a、b和η均为正数，a和b中数值大的为超椭圆的长半轴，数值小的为超椭圆的短半轴，η为指数。与式（1）对应的参数方程为：

x=a·cos2ηty=b·sin2ηt---(2)]]>

当a、b和η取不同的数值时，超椭圆的曲线具有不同的形状。