[发明专利]一种新型轴流泵叶轮多学科自动优化设计方法

摘要

一种新型轴流泵叶轮多学科自动优化设计方法，属于水利工程和动力工程技术领域，轴流泵叶轮在水利性能和结构性能两个学科间采用协同优化算法；学科分析方式采用CFD数值模拟计算的学科分析方式，设计精度高，避免了人工凭经验的传统优化方式；采用Piano多学科优化设计软件，建立多学科自动优化设计平台，实现轴流泵的多学科自动优化设计；保证叶片设计工况下设计扬程和设计流量不发生变化，即保证叶轮设计比转速一致；在机械性能方面保证轴流泵最高运行扬程条件下叶片应力值和振动位移较小；在水力性能方面保证轴流泵叶轮具有较宽的高效区范围，同时兼顾水泵的汽蚀性能要求，使得优化设计的叶轮具有较高的设计效率和较轻的叶片质量。

主权项

1.一种新型轴流泵叶轮多学科自动优化设计方法，其特征在于，包括如下操作步骤：(1)轴流泵叶轮参数化建模将轴流泵叶片均分成11个二维的翼型断面进行设计，再将设计好的各断面翼型光滑组合成轴流泵叶轮，叶栅稠密度(l/t)是轴流泵叶片设计的一个重要参数，l：是指翼型断面弦长；t＝2πr/z，其中z是叶片数，r是该翼型断面所在的半径值；叶尖叶栅稠密度是指叶片最外缘的翼型断面的叶栅稠密度值，叶根叶栅稠密度就是轮毂处的翼型断面的叶栅稠密度值，叶根叶栅稠密度倍数是指叶根叶栅稠密度与叶尖叶栅稠密度的比值，中间各断面叶栅稠密度从叶尖到叶根按线性变化，翼型安放角即各断面翼型所在的弦长与水平线之间的夹角，最大拱度比为各断面最大拱度值与弦长的比值，最大厚度比为各断面翼型厚度与弦长的比值；11个翼型断面就有44个设计参数，在优化时会大大降低叶片优化的效率，需要对这些设计参数进行参数化建模，叶栅稠密度采用等强度设计方法即可将11个断面的叶栅稠密度通过叶尖叶栅稠密度和叶根叶栅稠密度倍数2个设计变量进行参数控制，11个断面的翼型安放角数据通过三阶B样条曲线控制可以将11个变量减小到只需要轮毂、轮缘和中间断面的翼型安放角值即可，11个断面的最大拱度值和最大厚度值从轮毂到轮缘采用线性变化规律，因此每个参数只需要轮毂和轮缘2个控制变量即可，成功的将44个设计变量减少至9个设计变量，参数化建模通过编写Matlab程序实现，只需给定以下9个设计变量，即可得到叶轮11个断面的各设计参数值；设计变量式中，x1、x2分别为叶尖叶栅稠密度和叶根叶栅稠密度倍数；x3、x4和x5分别为轮缘、中间断面和轮毂处的翼型安放角值，单位：°；x6、x7分别为轮缘和轮毂处的最大翼型拱度值，单位：mm；x8、x9分别为轮缘和轮毂处的最大翼型厚度值，单位：mm；(2)流固耦合计算对于轴流泵的多学科优化设计问题，其应力要求是最为关注的，而关注设计工况下叶片受力是没有意义的，一般泵站工程关注的是最高运行扬程下叶片所受应力分布情况，而水力性能方面，最高运行扬程工况关注的是安全运行，最为关注的设计工况的效率，因此，轴流泵的多学科优化问题其实是基于多目标多约束多工况的多学科优化设计，从实际泵站工程应用要求出发，给定在泵站最高运行扬程对应的流量，在该流量下扬程作为约束条件，计算其应力分布，同时在节能减排的大环境下，将叶片质量作为结构优化设计的目标，因此，可以归结为：叶片质量和设计工况效率作为目标函数，以小流量扬程、小流量效率、小流量最大应力值和小流量最大变形值为约束条件，且保证叶片设计工况扬程不变或小范围内变化，对轴流泵叶轮进行多约束多目标多工况多学科优化设计；流固耦合计算主要是通过参数化建模的设计变量生成叶片各断面的三维数据文件blade.curve，将curve文件修改成UG可读取的翼型各断面的DAT文件，进一步建立出叶片流体三维模型和结构三维模型；轴流泵叶片的材料性质参数：弹性模量为E＝2.0×l011Pa，泊松比为μ＝0.3，密度为ρ＝7850kg/m3，柄的直径60mm，柄的厚度12.5mm；(3)DOE设计最优拉丁方方法是在随机拉丁方方法的基础之上针对均匀性进行了改进，因子的水平选择采用相应的算法进行规定，使得所选样本点在整个设计空间具有更好的空间填充性、分布更为均匀，针对9个设计变量采用最优拉丁超立方方法进行80个样本点的CFD数值计算；(4)近似模型建立近似模型用下式来描述输入变量和输出响应之间的关系：式中，y(x)为响应实际值，是未知函数；为响应近似值，是一个已知的多项式；ε为近似值与实际值之间的随机误差，服从(0，σ²)的标准正态分布，在对轴流泵进行优化设计时采用近似模型的方法可通过响应面模型建立起因子和响应之间的影响关系；可以大幅的降低设计成本和计算成本，可以大幅缩短计算时间；对响应函数进行平滑处理，降低数值噪声，有利于更快的收敛到全局最优点；(5)多学科自动优化设计平台(5‑1)优化设计工况确定根据优化要求，需要计算得到结构参数有质量、最大应力和最大应变值，水力参数有设计工况和小流量工况下的扬程和效率，设计流量工况点为Q0，则小流量工况点Q小＝0.6*Q0，设计工况为360L/s，小流量工况取240L/s；(5‑2)优化设计的目标优化的目的是使轴流泵叶片在小流量工况下满足泵站最高扬程的运行要求，在设计工况扬程变化不大的约束范围内，且满足叶片最大应力低于材料的屈服强度的条件下，使其达到轴流泵叶片设计工况下效率最高和质量最轻的优化目标；(5‑3)优化设计的约束条件为了保证轴流泵叶轮在优化前后都能满足同一座泵站的运行要求，其名义比转速保持一致，设计工况点扬程变化范围应尽可能小，变化范围建议取值0～0.2m，为保证小流量工况点扬程能够满足最大运行扬程的要求，小流量工况点扬程大于11.5m，小流量工况效率大于90％，小流量最大变形量小于3.0E‑4m，小流量最大应力值小于100MPa，由于汽蚀性能在非设计工况时，数值模拟计算误差较大，因此在全工况优化设计时，可单考虑设计工况的必需汽蚀余量要求，必需汽蚀余量越小越好，不同叶轮必需汽蚀余量值变化较大，为保证叶轮具有较好的汽蚀性能，可视具体叶轮确定必需汽蚀余量的约束值；(5‑4)优化算法的选择轴流泵多学科自动优化设计是有约束的、非线性、多目标、多工况并且解不唯一的优化设计问题，采用非归一化多目标优化方法中使用较多的可存档的微遗传算法，其基础算法为遗传算法，优化思路：初始化参数设定、初始化种群、适应性函数评价、选择操作、交叉操作、变异操作、终止条件判断；(5‑5)学科分析学科分析采用CFD数值计算方法。