[發明專利]基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法

有效

• 申請號: 201710117739.4
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106971023B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 郭海丁;韓佳欣;殷良偉;王佳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明提供了一種基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法，用于解決目前輪盤孔結構的孔邊應力集中問題，提高了設計結果的實用性，簡化了異型孔結構的設計過程。技術方案是采用超橢圓曲線對輪盤孔類結構進行改進；構建一種超橢圓異型孔多目標優化模型，使超橢圓異型孔輪廓同時滿足兩個優化目標：1）孔邊應力水平降低到設置水平2）孔形狀變化盡可能小以滿足傳力要求；該模型可通過優化獲得最佳設計。優化得到的超橢圓孔可按設計者需求將孔邊最大應力降低10%~20%，且異型孔輪廓形狀與先前圓孔的差異度較小，可滿足原有的裝配，保證傳力可靠。此外，該方法所需設計變量較少，異型孔輪廓的數學模型簡潔。

技術領域

本發明涉及航空發動機渦輪轉子部件的孔類結構優化設計領域，具體是一種基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法。

背景技術

航空發動機渦輪轉子部件工作環境惡劣，其輪盤幅板上的螺栓孔、通氣孔等孔類結構常因應力集中現象，產生孔邊裂紋，成為輪盤失效的一個重要原因。傳統措施如采用孔邊倒角、拋光、增加結構重量等方法并不能從根本上解決該問題。

發明內容

本發明為了解決現有技術的問題，提供了一種基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法，按結構使用需求降低孔邊應力，同時保證孔輪廓形狀變化盡可能小，以此滿足強度要求、裝配要求并保證可靠傳力。該方法所需設計變量較少，異型孔數學模型簡潔。

本發明包括以下步驟：

步驟一、定義超橢圓異型孔曲線方程。

式中，a、b為超橢圓曲線的半軸值，m、n為指數，其取值不同，超橢圓異型孔形狀不同，此發明中取m，n2，此時異型孔輪廓介于方孔和圓孔之間，更加符合輪盤孔類結構的實際設計要求。

步驟二、采用超橢圓參數方程運用有限元分析軟件進行參數化建模：

式中，θ為參數，sgn為符號判斷函數：

步驟三、構建超橢圓異型孔多目標優化模型：

minf{f₁(σ_max)，f₂(m,n)}； (4)

其中，優化設計變量m、n為超橢圓曲線指數；σ_max＝σ_max(m,n)為設計點λ(m,n)對應的超橢圓孔孔邊最大主應力值，目標函數f₁(σ_max)代表孔邊應力降低程度；目標函數f₂(m,n)代表超橢圓異型孔輪廓變化；upper和lower分別為曲線指數的上、下界；

目標函數f₂(m,n)計算方法如方程如下所示：

f₂(m,n)＝S₁-S₀。 (6)

S1為超橢圓異型孔面積，S0為原圓孔面積。

步驟四、運用多目標優化方法對超橢圓異型孔優化模型進行尋優，最終得到異型孔輪廓優化結果。

本發明有益效果在于：

1、運用本發明得到的超橢圓異型孔結構，在不增加結構重量和影響其他結構的基礎上，按設計者需求應力目標，使孔邊應力降低10％～20％。

2、本發明運用多目標優化方法，得到的異型孔在滿足強度要求的前提下，輪廓尺寸改變最小，并保證了傳力可靠，設計穩健性較好。

3、超橢圓曲線異型孔數學模型結構簡潔，設計變量較少。

附圖說明