基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103310046A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103310046103310046A(43)申请公布日2013.09.18(21)申请号201310210947.0(22)申请日2013.05.30(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人张卫红孟亮牛草谷小军朱继宏(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人王鲜凯(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权权利要求书2页利要求书2页说明书4页说明书4页附图2页附图2页(54)发明名称基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法(57)摘要本发明公开了一种基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法，用于解决现有多弧段曲线形状优化设计方法设计周期长的技术问题。技术方案是采用超椭圆曲线边界条件对带辐板涡轮盘截面进行有限元建模、分析和灵敏度求解，由求得的灵敏度信息进行优化迭代，直至收敛到最终的设计结果。该方法对涡轮盘内腔的初始形状轮廓进行了有效的优化设计，设计周期短，并获得了较好的应力水平分布。优化后的最大应力为769.47MPa，比优化之前的1460.75MPa降低了47.32%。文献所述方法优化后的最大应力为842.7MPa，比优化之前的912MPa仅降低了7.6%。故本发明方法优化结果的应力集中水平低，明显优于背景技术。CN103310046ACN10346ACN103310046A权利要求书1/2页1.一种基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、定义超椭圆曲线的控制参数，构造超椭圆曲线；超椭圆曲线的解析式方程为：其中，a、b和η均为正数，a和b中数值大的为超椭圆的长半轴，数值小的为超椭圆的短半轴，η为指数；与式（1）对应的参数方程为：当a、b和η取不同的数值时，超椭圆的曲线具有不同的形状；步骤二、采用部分超椭圆曲线定义优化模型的边界，选择开口宽度width作为另一个设计变量；取开口处两个点S、R的y坐标分别为yS、yR：计算出开口处R点与超椭圆中心O的连线和长轴的夹角γ：计算出超椭圆的中心坐标(x0,y0)：得到优化过程中所用的部分超椭圆曲线描述为：步骤三、对于带辐板涡轮盘来说，还要选择开口外侧两处的倒圆角半径R1和R2作为设计变量；步骤四、以部分超椭圆曲线为形状边界，构造形状优化的有限元模型：findX＝(x1,x2,...,xn)minΦ(X)s.t.KU＝F（7）其中，X为设计域上的形状变量向量；n为设计变量个数；Φ(X)为形状优化的目标函数；K为有限元模型总体刚度矩阵；F为节点等效载荷向量；U为节点位移向量；Gj(X)为第j个约束函数；为第j个约束函数的上限；J为约束的数量；步骤五、定义优化模型的设计变量，并对模型施加约束和边界载荷；2CN103310046A权利要求书2/2页步骤六、用有限元软件Ansys将模型进行一次有限元分析；再通过结构优化平台Boss-Quattro进行优化灵敏度分析，求得目标函数和约束条件的灵敏度，选取梯度优化算法GCMMA进行优化设计，得到优化结果。3CN103310046A说明书1/4页基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法技术领域[0001]本发明涉及一种带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法，特别涉及一种基于超椭圆曲线的带辐板涡轮盘内腔形状优化设计方法。背景技术[0002]航空发动机涡轮盘为航空发动机中的关键零件之一，其体积和重量较大，在工作中受载荷包括涡轮盘高速旋转产生的自身离心力和叶片离心力，以及来自燃烧室高温、高压燃气的温度梯度载荷和叶片气动载荷等。因此涡轮盘在工作中所承受的载荷比较复杂，容易产生应力集中现象，降低其疲劳寿命。[0003]文献“朱继宏，李军朔等，现代形状优化技术在航空发动机零部件设计中的应用。航空制造技术，2012（23/24）”公开了一种多圆弧曲线形状优化设计方法，实现了带辐板涡轮盘内腔的形状优化。文献公开的方法第一步使用常规的自由曲线进行优化迭代，这一步的结果对最终的形状优化结果影响并不大，因此这一步的迭代大大浪费了计算机机时，增长了优化设计周期。第二步采用多弧段曲线对自由曲线优化结果进行逼近，第三步采用多弧段的边界条件，重新定义圆弧设计变量，然后再次进行优化迭代，增加了整个优化过程中所需定义的设计变量个数，增加了优化过程的复杂性。优化后得到的多圆弧曲线，使用数学方程描述比较困难，需要知道每段圆弧曲线的起点、端点以及半径才能将其完整地描述。[0004]文献所述方法的自由曲线初始设计的应力最大值为912MPa，多弧段曲线优化设计后的最大应力为842.7MPa，降幅为7.6%。发明内容[0005]为了克服现有