[發明專利]低壓渦輪后軸及其設計方法

有效

• 申請號: 201410257707.0
• 申請日: 2014-06-11
• 公開（公告）號: CN104019091A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 張衛紅;牛草;羅雅文;張治東;王冰旭
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F16B4/00
• 分類號: F16B4/00;F16J15/04;F02C7/06;G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種低壓渦輪后軸，由低壓渦輪后軸頸(2)、傾斜過渡段(3)、后延伸封嚴跑道(5)、豎直過渡段(7)、封嚴篦齒(9)和前延伸段(10)構成軸線為回轉中心(1)的空心盤式零件，傾斜過渡段(3)的上方開有沿周向均布的通油孔(4)，豎直過渡段(7)的根部開有沿周向均布的通氣孔(6)，豎直過渡段(7)的上方開有沿周向均布的螺栓孔(8)，前延伸段(10)的豎直段開有沿周向均布的鉚接銷釘孔(14)，其特征在于：前延伸段配合面(15)為錐面，對應于等效簡化的軸對稱二維平面結構中，前延伸段配合面(15)的截面為一條由前延伸段配合面截面左端點(19)和前延伸段配合面截面右端點(20)連接形成的沿軸向方向左高右低的線段，前延伸段配合面(15)與封嚴跑道配合面(18)之間徑向過盈配合(13)處的過盈量沿著軸向方向從左至右依次增大。

2.根據權利要求1所述的低壓渦輪后軸，其特征在于：所述前延伸段配合面(15)的錐度為式中，x₁為前延伸段配合面截面左端點的徑向坐標，y₁為前延伸段配合面截面左端點的軸向坐標，x₂為前延伸段配合面截面右端點的徑向坐標，y₂為前延伸段配合面截面右端點的軸向坐標。

3.一種權利要求1所述低壓渦輪后軸的設計方法，其特征在于采用以下步驟：

步驟一、在商用有限元軟件ANSYS中建立低壓渦輪后軸與封嚴跑道裝配體的等效簡化模型，假設鉚接銷釘處的連接強度滿足工程要求，將鉚接銷釘連接處固連起來，忽略通油孔、通氣孔、螺栓孔、鉚接銷釘孔和封嚴篦齒的齒狀結構，把裝配體簡化為軸對稱的二維平面模型，在建模時使前延伸段配合面各處的徑向坐標比封嚴跑道配合面的徑向坐標小Δ＝0.1mm，來模擬前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合的過盈量，將其作為形狀優化問題的初始設計；設定x₁、y₁和x₂為可變參數；其中，x₁為前延伸段配合面截面左端點的徑向坐標，y₁為前延伸段配合面截面左端點的軸向坐標，x₂為前延伸段配合面截面右端點的徑向坐標；

步驟二、對低壓渦輪后軸和封嚴跑道分別賦以各自的材料屬性；

步驟三、設定網格邊長，對裝配體使用平面實體單元劃分結構網格；在前延伸段配合面的實體單元上生成一層目標單元作為目標面，在封嚴跑道配合面的實體單元上生成一層接觸單元作為接觸面，對目標單元和接觸單元賦以相同的實常數編號來將目標面和接觸面識別為接觸對，用以模擬前延伸段配合面與封嚴跑道配合面之間的徑向過盈配合；

步驟四、對結構的有限元模型施加位移邊界條件和轉速、溫度載荷條件；

步驟五、選取步驟一中的三個可變參數中的全部或者部分作為設計變量，以前延伸段配合面上的節點的最大徑向位移為目標函數，將接觸單元的接觸壓力不小于一個較小的正壓力作為第一個約束條件，將接觸單元的接觸壓力不超過許用接觸壓力作為第二個約束條件，將低壓渦輪后軸單元的最大von?Mises等效應力和封嚴跑道單元的最大von?Mises等效應力不超過各自材料的許用應力分別作為第三和第四個約束條件，將裝配體的質量不超過上限作為第五個約束條件，最后根據需要增加其他約束條件，建立形狀優化的數學模型：

findX,minf(X)=umaxt=max{u1t,u2t,...,uit,...,uNnumt}s.t.σjCN≥σCN‾,j=1,2,...,CnumσjCN≤σCN‾,j=1,2,...,CnumσmaxVN1=max{σ1VN1,σ2VN1,...,σkVN1,...,σEnum1VN1}≤σmaxVN1‾,σmaxVN2=max{σ1VN2,σ2VN2,...,σlVN2,...,σmaxVN2}≤σmaxVN2‾,M≤M‾,Gm(X)≤0,m=1,2,...,GnumHn(X)=0.n=1,2...,Hnum]]>

其中，X是設計變量序列；f(X)是優化問題的目標函數，是前延伸段配合面上的節點的最大徑向位移，是前延伸段配合面上第i個節點的徑向位移，Nnum是前延伸段配合面上節點的數目；是第j個接觸單元的接觸壓力，是接觸壓力的下限，一般為一個比較小的正壓力，是許用接觸壓力，Cnum是接觸單元的個數；是低壓渦輪后軸單元的最大von?Mises等效應力，是第k個低壓渦輪后軸單元的von?Mises等效應力，Enum1是低壓渦輪后軸的單元數目,是低壓渦輪后軸材料的許用應力；是封嚴跑道單元的最大von?Mises等效應力，是第l個封嚴跑道單元的von?Mises等效應力，Enum2是封嚴跑道的單元數目，是封嚴跑道材料的許用應力；M是裝配體的質量，是裝配體的質量上限；G_m(X)代表第m個其他的不等式約束條件，Gnum是不等式約束條件的數目；H_n(X)代表第n個其他的等式約束條件，Hnum是等式約束條件的數目；

步驟六、在步驟五建立的優化模型的基礎上，設定設計變量上下限、種群大小、隨機種子產生概率、變異概率、交叉概率和遺傳代數參數，采用遺傳算法進行優化設計。