[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

说明书

本发明公开了一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法，采用基于响应面的方差分析方法对设计空间进行了分析，筛选对所需性能影响显著的设计变量进行多学科优化设计，在一定程度上降低了设计空间维度，降低时间成本；采用全局寻优算法对向心涡轮多学科优化设计问题进行求解，没有过多的人为干预情况下能够显著提高向心涡轮的设计水平、充分发掘设计潜力，并且满足向心涡轮振动性能的要求，提升向心涡轮级的经济性和可靠性。

技术领域

本发明属于向心涡轮优化设计技术领域，具体是一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法。

背景技术

向心涡轮的工作特点决定了其设计过程涉及到气动、结构振动等多个学科，各学科相互交织一起，使设计过程变得复杂。传统意义上的优化设计过程一般都是分学科、顺序进行的。在设计过程中，分学科、顺序迭代过程往往会消耗大量的时间成本，学科间的信息传递过程也较为复杂，很大程度上依靠设计人员大的专业经验知识获得可行设计方案，限制了设计水平进一步地提高，并不能充分地发挥各设计空间内的潜力。因此，有必要建立一种能够兼顾各学科性能、充分发掘设计潜力并缩短设计周期的方法显得尤为重要。

此外，优化设计变量较多会导致设计空间维度较高，在进行性能计算过程中耗费时间过长。因此有必要对设计空间进行初步分析，筛选出显著变量，以降低设计空间的维度，减少时间耗费。

发明内容

本发明为了解决采用传统设计方法复杂、不能充分发挥设计潜力、设计变量较多以及学科间的信息传递复杂等问题，提供了一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种航空发动机中向心涡轮叶轮的多学科优化设计方法，该方法是采用以下步骤实现的：

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型并结合边界条件，构建用于获得结构振动特性的流固耦合数值计算模型；

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；

然后，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；

然后，将获得的气动效率、转子应力、频率以及质量等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；