[發明專利]一種新型軸流泵葉輪多學科自動優化設計方法

在審

• 申請號: 201811263231.6
• 申請日: 2018-10-28
• 公開（公告）號: CN109002680A
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 石麗建;付玲玲;湯方平;劉超;周濟人;楊帆;金燕;張文鵬
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 揚州蘇中專利事務所(普通合伙) 32222
• 代理人: 許必元

一種新型軸流泵葉輪多學科自動優化設計方法，屬于水利工程和動力工程技術領域，軸流泵葉輪在水利性能和結構性能兩個學科間采用協同優化算法；學科分析方式采用CFD數值模擬計算的學科分析方式，設計精度高，避免了人工憑經驗的傳統優化方式；采用Piano多學科優化設計軟件，建立多學科自動優化設計平臺，實現軸流泵的多學科自動優化設計；保證葉片設計工況下設計揚程和設計流量不發生變化，即保證葉輪設計比轉速一致；在機械性能方面保證軸流泵最高運行揚程條件下葉片應力值和振動位移較??；在水力性能方面保證軸流泵葉輪具有較寬的高效區范圍，同時兼顧水泵的汽蝕性能要求，使得優化設計的葉輪具有較高的設計效率和較輕的葉片質量。

技術領域

本發明屬于水利工程和動力工程技術領域,涉及一種軸流泵的優化設計方法,具體的說是涉及一種新型軸流泵葉輪多學科自動優化設計方法。

背景技術

多學科優化設計(MDO)是當前復雜系統優化設計研究中的一個最新、最活躍的領域，其主要應用在航空航天、魚雷導彈設計等領域，在流體機械領域的研究主要集中在渦輪葉片、風力機葉片優化設計中。目前，隨著計算流體力學和計算結構力學的飛速發展，針對軸流泵葉輪分別在水力性能和結構性能的學科領域內進行優化設計的研究較為豐富，且成果較多。然而，這種傳統的單學科優化分析方式實際上忽略了水力設計與結構設計間的相互作用和相互影響，沒有達到真正的協調設計，對優化設計結果的可靠性和準確性把握不夠。軸流泵葉輪優化設計方法還沒有能夠將水力設計和結構設計完美結合，也就不能很好地適應葉輪優化設計中多學科交叉、聯合的新趨勢。為了妥善處理軸流泵葉輪優化設計過程中水力設計和結構設計之間的矛盾，以進一步提高葉輪的綜合性能，設計需將各學科融合起來，充分考慮學科設計之間的相互作用。

發明內容

本發明的目的是針對傳統單學科優化分析方式忽略了水力設計與結構設計間的相互作用和相互影響，沒有達到真正的協調設計，對優化設計結果的可靠性和準確性不夠，沒有將水力設計和結構設計完美結合等不足，提出一種新型軸流泵葉輪多學科自動優化設計方法，通過水力和結構兩個學科對軸流泵葉輪提出了多學科自動優化設計方法，進一步提高水泵的綜合性能。

本發明的技術方案是：一種新型軸流泵葉輪多學科自動優化設計方法，其特征在于，包括如下操作步驟：

(1)軸流泵葉輪參數化建模

將軸流泵葉片均分成11個二維的翼型斷面進行設計，再將設計好的各斷面翼型光滑組合成軸流泵葉輪，葉柵稠密度(l/t)是軸流泵葉片設計的一個重要參數，l：是指翼型斷面弦長；t＝2πr/z，其中z是葉片數，r是該翼型斷面所在的半徑值；葉尖葉柵稠密度是指葉片最外緣的翼型斷面的葉柵稠密度值，葉根葉柵稠密度就是輪轂處的翼型斷面的葉柵稠密度值，葉根葉柵稠密度倍數是指葉根葉柵稠密度與葉尖葉柵稠密度的比值，中間各斷面葉柵稠密度從葉尖到葉根按線性變化，翼型安放角即各斷面翼型所在的弦長與水平線之間的夾角，最大拱度比為各斷面最大拱度值與弦長的比值，最大厚度比為各斷面翼型厚度與弦長的比值；

11個翼型斷面就有44個設計參數，在優化時會大大降低葉片優化的效率，需要對這些設計參數進行參數化建模，葉柵稠密度采用等強度設計方法即可將11個斷面的葉柵稠密度通過葉尖葉柵稠密度和葉根葉柵稠密度倍數2個設計變量進行參數控制，11個斷面的翼型安放角數據通過三階B樣條曲線控制可以將11個變量減小到只需要輪轂、輪緣和中間斷面的翼型安放角值即可，11個斷面的最大拱度值和最大厚度值從輪轂到輪緣采用線性變化規律，因此每個參數只需要輪轂和輪緣2個控制變量即可，成功的將44個設計變量減少至9個設計變量，參數化建模通過編寫Matlab程序實現，只需給定以下9個設計變量，即可得到葉輪11個斷面的各設計參數值；

設計變量