[發明專利]計入隨機失諧的葉輪機械氣動彈性優化設計實現方法

有效

• 申請號: 202011049644.1
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112182802B
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 范城瑋;吳亞東
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海交大航空發動機科技有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F111/06;G06F113/06;G06F119/14;G06F119/18
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

1.一種計入隨機失諧的葉輪機械氣動彈性優化設計實現方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：對原始葉片進行參數化處理：提取各截面翼型的弦長、中弧線、前緣與尾緣的半徑和安裝角，再分別定義構葉片彎、扭和掠的形變方向及大小，完成葉片的三維造型設計；

步驟二：利用拉丁超立方采樣，跟據葉片設計變量的數量生成滿足精度要求的實驗樣本；

步驟三：分別建立單通道流場模型、全通道流場模型、單個葉片模型及整體葉盤模型，相應地得到：單通道流場網格、全通道流場網格、葉片有限元網格、整體葉盤有限元網格；

步驟四：利用步驟三得到的單通道流場網格計算氣動性能、壓比η和效率π，并將葉片表面壓力以文件形式輸出；將來自單通道流場網格計算到的葉片壓力插值到葉片有限元網格中作為葉片所受氣動力，將由葉片旋轉產生的離心力和氣動力作為預應力進行靜力學分析，得到葉片的靜應力σ_s；

步驟五：在靜力學分析的基礎上進行單個葉片的模態分析，得到葉片質量歸一化的模態振型最大振幅x_fem和固有頻率f₀；

步驟六：將步驟五中得到的模態振型插值到全通道流場網格，采用動網格的方式進行葉片振動模擬，得到葉片所受到的非定常氣動力；

步驟七：根據模態力定義，將步驟六得到的非定常氣動力投影到全通道流場模型的葉片有限元網格中的模態坐標得到模態力Q，根據模態力構建影響系數矩陣C，然后采用特征值法求得諧調狀態下的氣動阻尼ζ并取最小氣動阻尼ζ_min為優化目標；

步驟八：根據步驟三建立的整體葉盤模型，進行模態分析計算得到葉盤各模態簇的固有頻率與節徑的關系；將步驟六得到的模態力與葉盤固有頻率及其對應的節徑導入基礎失諧模型中，得到諧調狀態下的強迫振動響應；

步驟九：利用蒙特卡洛法，生成1000組服從正態分布的具有相同失諧量但不同形式的隨機失諧方案并利用基礎失諧模型分別按步驟一～步驟八計算每個葉片設計在1000組隨機失諧的強迫振動響應；采用統計的方法得到葉片歸一化振動幅值的正態分布概率密度函數；以其中位置參數μ、尺度參數σ作為優化目標；

步驟十：根據步驟二中生成的實驗樣本，經步驟七和九的計算得到的對應的目標函數ζ_min，μ和σ，采用響應面法分別構建葉片設計變量v₁，v₂，v₃，…，v_n與每個優化目標的關系：ζ_min＝f(v₁，v₂，v₃，…，v_n)，μ＝g(v₁，v₂，v₃，…，v_n)，σ＝h(v₁，v₂，v₃，…，v_n)；

步驟十一：在約束條件下，采用多目標優化算法，得到帕累托前沿，并選擇若干預測的帕累托解，即預測的較優的葉片設計；

步驟十二：重復步驟三到步驟九，計算若干預測的葉片設計的效率、壓比、靜應力、最小氣動阻尼和正態分布的位置參數和尺度參數；

步驟十三：驗證若干預測的葉片設計是否某個設計滿足約束條件及優化目標；當滿足約束條件及優化目標，則輸出優化后葉片的參數，氣動性能，靜應力，顫振分析結果及強迫振動分析結果；否則將預測的設計帶入到響應面模型中，重新生成新的響應面模型然后再采用多目標優化算法預測的更新葉片設計，重復步驟三到十三。

2.根據權利要求1所述的計入隨機失諧的葉輪機械氣動彈性優化設計實現方法，其特征是，步驟四包括：

4.1)將步驟三中的單通道流場網格導入CFX-pre，分析類型選擇穩態求解，湍流模型為K-Epsilon，入口給定總溫總壓，出口給定質量流量，求得氣動性能、壓比η、效率π，并輸出葉片表面壓力文件；

4.2)為了保證在一定范圍內具有較好的氣動性能，選取3個工況點進行計算，即：OP1靠近堵塞點，OP3靠近最高效率點，OP2介于兩者之間；

4.3)采用自定義Matlab函數驅動Static Structural模塊自動設置材料屬性，定義邊界條件，轉子轉速，并將OP3的葉片壓力插值到葉片表面，作為葉片所受氣動力，進行靜力學分析，得到葉片的靜應力σ_s。