[发明专利]一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法

权利要求书

1.一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法，其特征在于：该方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：

生成样本数据点，构建多学科优化设计的初始设计空间；

步骤二：

对样本空间数据点对应的一系列几何特征参数进行变量解析，利用向心涡轮叶轮叶片型线参数化造型方法将几何特征参数转为二维坐标系下(dm,θ)维叶片吸力面、压力面型线数据离散点；

确定叶片三维积叠位置，根据倾角(α)控制的线性积叠规律将二维叶片型线进行三维空间积叠，获得三维坐标系下(dm,θ,R)的三维型线离散点；

利用三维空间坐标系转换关系，将上述型线数据离散点的坐标对应的转化为笛卡尔坐标系下(x,y,z)坐标；

基于笛卡尔坐标系下的三维叶片型线离散点坐标，利用蒙面法生成向心涡轮叶片的三维模型；

根据向心涡轮叶轮涡轮盘的几何特征参数，对涡轮盘进行三维参数化建模，获得包含叶片以及涡轮盘的完整向心涡轮叶轮转子几何模型；

利用叶轮转子几何模型并结合边界条件，构建用于获得气动性能的数值计算模型；

然后，利用叶轮转子几何模并结合边界条件，构建用于获得气动性能的数值计算模型；

步骤三：

利用雷诺时均方法求解气动数值计算模型获得向心涡轮级的气动效率、温度场分布、气动力载荷，并将温度场分布、气动力载荷输入到转子结构振动特性流固耦合数值计算模型；

利用有限元方法求解转子结构振动特性流固耦合计算模型，获得转子应力分布、频率特性以及质量分布；

将获得的气动效率、转子应力、频率以及质量性能数据存入样本数据库；

步骤四：

选取目标函数以及约束条件，对初始样本空间内的样本数据建立响应面模型，调整响应面模型相关参数，直至满足模型精度要求；

进行基于响应面模型的方差分析，筛选对涡轮所需各学科性能影响显著以及耦合效应强的设计变量，剔除影响相对较低的设计变量；

然后，依据方差分析结果对初始设计空间进行重构，并依次进行下一步；

步骤五：

以重构的初始样本设计空间为基础，通过如下步骤进行向心涡轮叶轮的多学科优化设计：

步骤a：对样本设计空间采用步骤二、步骤三计算气动效率、结构应力性能数据；

步骤b：对样本点对应的数据进行约束处理，获得样本数据的适应度函数；

步骤c：系统优化器(多目标差分进化算法)在样本空间内进行寻优，生成新的样本设计空间；

步骤六：

利用优化系统中的信息判断计算结果是否满足优化目标和约束条件；

若计算结果未满足优化目标和约束条件，则执行步骤五；

若计算结果满足优化目标和约束条件，则结束优化。

2.根据权利要求1中所述的一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法，其特征在于：所述步骤二中，叶片几何特征参数包括：1)二维叶型的最大厚度(T_max)；2)最大厚度位置(X_max)；3)进、出口几何角(β₀、β₃)；4)进、出口位置(X₀、X₃)；5)前缘、尾缘圆弧半径(R₀、R₁)；6)三维线性积叠参数方程倾角(α)。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法，其特征在于：所述步骤四中，优化目标包括向心涡轮级的气动效率、叶轮叶片根部最大应力等一系列性能参数；约束条件包括向心涡轮叶轮转子的质量、涡轮转子整体应力水平、涡轮转子的固有频率等一些列关键参数。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法，其特征在于：所述步骤四中，采用Kriging响应面模型进行输入输出数据的预测。

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法，其特征在于：所述步骤五中，采用自适应多目标优化算法进行全局寻优并生成新的样本空间。