一种基于时域双向迭代的叶轮机叶片颤振应力预测方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN101908088A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CNCN101908088101908088A(43)申请公布日2010.12.08(21)申请号201010237211.9(22)申请日2010.07.22(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学(72)发明人徐可宁王延荣(74)专利代理机构北京慧泉知识产权代理有限公司11232代理人王顺荣唐爱华(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书4页说明书10页附图7页(54)发明名称一种基于时域双向迭代的叶轮机叶片颤振应力预测方法(57)摘要本发明公开了一种基于时域双向迭代的叶轮机叶片颤振应力预测方法，其特征在于，将叶片及其周围流场视为一个三维流固耦合系统，设计了一套时域的双向迭代方法，通过交替求解叶片变形和非定常流场得到叶片的颤振应力。该方法在计算机中设定以下模块：结构计算模块、流体计算模块、数据转换模块、颤振应力输出模块、初值计算模块和双向迭代模块。通过非线性迭代获得叶片静变形和稳态流场作为初值；交替调用结构计算模块和流体计算模块在时间上推进整个系统；通过数据转换模块传递流固边界信息；输出时间历程上的颤振应力。本发明实现了叶片与流场的一体化计算，考虑了耦合系统的非线性，能观察整个颤振发展进程，预测叶片的颤振应力。CN1098ACN101908088ACCNN110190808801908093A权利要求书1/4页1.一种基于时域双向迭代的叶轮机叶片颤振应力预测方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：步骤一：在计算机中设定以下六个模块：结构计算模块、流体计算模块、数据转换模块、颤振应力输出模块、初值计算模块和双向迭代模块；步骤二：调用初值计算模块通过非线性迭代获得叶片的初始静变形和稳态定常流场作为以后双向迭代计算的初值，用以加快整个系统的收敛；步骤三：调用双向迭代模块，在时间上推进由叶片和周围流场组成的流固耦合系统；步骤四：通过颤振应力输出模块，将结构的瞬态位移响应转化为瞬态颤振应力，并输出为文件，供后处理软件读取显示。2.根据权利要求1所述的一种基于时域双向迭代的叶轮机叶片颤振应力预测方法，其特征在于：步骤一中所述的六个模块的具体结构如下：模块一：结构计算模块：结构计算模块的作用是求解三维结构动力方程，获得叶片的瞬态变形；该模块包含如下步骤：步骤1.1：将叶片表面压力和结构有限元节点单元信息放到输入文件里，并在输入文件中对叶片的工况进行设置；步骤1.2：调用Fortran语言编写的结构有限元计算程序求解三维结构动力方程其中M，C和K分别是总体质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Kc是旋转软化矩阵；S是应力刚化矩阵即几何刚化矩阵；f，fa和fc是节点外力列阵、气动力列阵和离心力列阵，a是待求的有限元节点位移列向量；步骤1.3：计算结束后，输出叶片表面有限元节点的位移；模块二：流体计算模块：在流体计算模块中，提供了各种流体计算软件的接口，可以后台调用流体计算软件获得每个时间步的三维非定常流场；该模块中根据用户需要调用流体动力学计算软件Fluent，CFX，在计算结束后输出叶片表面压力；模块三：数据转换模块：数据转换模块包括三个子模块，一是节点配对子模块，作用是找到耦合界面上每个流体节点所对应的结构单元；二是载荷传递子模块，该子模块通过三维形函数插值，将叶片表面的定常或非定常压力转换为叶片结构有限元模型上的节点力；三是变形传递子模块，该子模块将叶片的变形转换为叶片周围流体域的边界运动；节点配对子模块包含下列步骤：步骤3.1.1：对耦合界面上每个流体节点f，遍历所有耦合界面上的结构节点，找到距离f最近的结构节点s；步骤3.1.2：找到所有包含结构节点s的结构单元e1，e2，…，em；步骤3.1.3：对每个结构单元ei(i＝1，2，…，m)，用拟牛顿法求出f在该单元内的局部坐标(ri，si，ti)，并求出f与该单元中心的相对距离步骤3.1.4：找出与f相对距离最小的单元et，即dt＝min(d1，d2，…，dm)，该单元即为2CCNN110190808801908093A权利要求书2/4页流体节点f所对应的结构单元；变形传递子模块包含下列步骤：步骤3.2.1：设流体节点f在其所对应结构单元e上的投影点为f’，f’在整体坐标系下的坐标为(xf’，yf’，zf’)，忽略流体节点与其投影点之间的距离，近似有xf′≈xf，yf′≈yf，zf′≈zf，投影点f’在结构单元e中的局部坐标(r，s，t)通过求解下列方程组得到其中n为结构单元e中节点的数目，xi，yi，zi(i＝1，2，…，8)为结构单元e中8个节点在整体坐标系下的坐标；投影点处的形函数Ni(i＝1，2，…，8)为N1＝