计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法技术

一种计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法，基于影响系数法的颤振计算、基础失谐模型和蒙特卡洛法的强迫振动分析，在约束气动性能以及静应力的前提下，使工业加工的叶片在不同的安装方式下具有相似的振动特性；显著提升了颤振稳定性并降低了在随机失谐的情况下叶片强迫振动响应，本方法对于选取的轴流风扇叶片，在约束气动性能和静应力的前提下，其最小的气动阻尼增加了约19％和随机失谐下最大的强迫振动幅值降低了约18％。

【技术实现步骤摘要】
计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法
本专利技术涉及的是一种航空发动机制造领域的技术，具体是一种计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法。
技术介绍
叶片作为叶轮机械中的做功部件，旋转中的叶片受到各种载荷(如旋转产生的离心力，上游静叶/导叶尾迹产生的非稳态气动力等等)，不仅会影响气动性能还会引起叶片振动问题。因此，为了保证高效且安全的运行要求，叶片的设计必须兼顾气动及结构性能。叶片和流体的相互作用而导致的气动弹性振动会导致叶片疲劳失效，其中最常见的两种气动弹性现象是：1.颤振；2.强迫振动。颤振是一种自激现象，叶片不断地从流场中吸收能量，导致叶片振动幅值不断放大；强迫振动是由于外界激励而导致叶片振动，振动的频率通常与转速频率成整数倍关系。这两种振动形式都会使叶片所受应力增加，在有限个振动周期内造成叶片疲劳失效：轻则叶片产生裂纹，重则叶片断裂，造成严重事故。通常叶片受到的应力大小与其振动的振幅成正比。叶片振动的幅值除了与材料属性，激励的大小，摩擦阻尼等因素相关之外，制造加工误差也能对其产生较大的影响。<br>
技术实现思路
<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：对原始叶片进行参数化处理：提取各截面翼型的弦长、中弧线、前缘与尾缘的半径和安装角，再分别定义构叶片弯、扭和掠的形变方向及大小，完成叶片的三维造型设计；/n步骤二：利用拉丁超立方采样，跟据叶片设计变量的数量生成满足精度要求的实验样本；/n步骤三：分别建立单通道流场模型、全通道流场模型、单个叶片模型及整体叶盘模型，相应地得到：单通道流场网格、全通道流场网格、叶片有限元网格、整体叶盘有限元网格；/n步骤四：利用步骤三得到的单通道流场网格计算气动性能、压比(η)和效率(π)，并将叶片表面压力以文件形式输出；将...

【技术特征摘要】
1.一种计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对原始叶片进行参数化处理：提取各截面翼型的弦长、中弧线、前缘与尾缘的半径和安装角，再分别定义构叶片弯、扭和掠的形变方向及大小，完成叶片的三维造型设计；
步骤二：利用拉丁超立方采样，跟据叶片设计变量的数量生成满足精度要求的实验样本；
步骤三：分别建立单通道流场模型、全通道流场模型、单个叶片模型及整体叶盘模型，相应地得到：单通道流场网格、全通道流场网格、叶片有限元网格、整体叶盘有限元网格；
步骤四：利用步骤三得到的单通道流场网格计算气动性能、压比(η)和效率(π)，并将叶片表面压力以文件形式输出；将来自单通道流场网格计算到的叶片压力插值到叶片有限元网格中作为叶片所受气动力，将由叶片旋转产生的离心力和气动力作为预应力进行静力学分析，得到叶片的静应力σs；
步骤五：在静力学分析的基础上进行单个叶片的模态分析，得到叶片质量归一化的模态振型最大振幅(xfem)和固有频率(f0)；
步骤六：将步骤五中得到的模态振型插值到全通道流场网格，采用动网格的方式进行叶片振动模拟，得到叶片所受到的非定常气动力；
步骤七：根据模态力定义，将步骤六得到的非定常气动力投影到全通道流场模型的叶片有限元网格中的模态坐标得到模态力(Q)，根据模态力构建影响系数矩阵(C)，然后采用特征值法求得谐调状态下的气动阻尼(ζ)并取最小气动阻尼(ζmin)为优化目标；
步骤八：根据步骤三建立的整体叶盘模型，进行模态分析计算得到叶盘各模态簇的固有频率与节径的关系；将步骤六得到的模态力与叶盘固有频率及其对应的节径导入基础失谐模型中，得到谐调状态下的强迫振动响应；
步骤九：利用蒙特卡洛法，生成1000组服从正态分布的具有相同失谐量但不同形式的随机失谐方案并利用基础失谐模型分别按步骤一～步骤八计算每个叶片设计在1000组随机失谐的强迫振动响应；采用统计的方法得到叶片归一化振动幅值的正态分布概率密度函数；以其中位置参数μ、尺度参数σ作为优化目标；
步骤十：根据步骤二中生成的实验样本，经步骤七和九的计算得到的对应的目标函数(ζmin，μ和σ)，采用响应面法(Responsesurfacemethodology，RSM)分别构建叶片设计变量(v1，v2，v3，…，vn)与每个优化目标的关系：ζmin＝f(v1，v2，v3，…，vn)，μ＝g(v1，v2，v3，…，vn)，σ＝h(v1，v2，v3，…，vn)；
步骤十一：在约束条件下，采用多目标优化算法，得到帕累托前沿，并选择若干预测的帕累托解，即预测的较优的叶片设计；
步骤十二：重复步骤三到步骤九，计算若干预测的叶片设计的效率、压比、静应力、最小气动阻尼和正态分布的位置参数和尺度参数；
步骤十三：验证若干预测的叶片设计是否某个设计满足约束条件及优化目标；当满足约束条件及优化目标，则输出优化后叶片的参数，气动性能，静应力，颤振分析结果及强迫振动分析结果；否则将预测的设计带入到响应面模型中，重新生成新的响应面模型然后再采用多目标优化算法预测的更新...

【专利技术属性】
技术研发人员：范城玮，吴亚东，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海交大航空发动机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31