專利名稱：大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種渦輪設計技術，尤其涉及一種大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合 一體化設計方法。
背景技術：
目前，大小葉片軸流壓氣機的葉盤轉(zhuǎn)子大都是采用整體葉盤結(jié)構(gòu)形式，由于這種大小 葉片的整體葉盤結(jié)構(gòu)，葉片總體上沿周向呈一大一小交替布置，而且在每一對大小葉片之 間有可能具有更復雜、靈活的相互關系，因此采用常規(guī)的設計方法無法實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)完整性 的評估和設計，尤其是基于流體、離心力場和其他各種激勵力作用下的結(jié)構(gòu)完整性(強 度、剛度和振動)的設計。如圖1所示，現(xiàn)有技術中，整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性的設計方法，是在單獨進行氣動設計 的基礎上，基于安全裕度和常規(guī)設計準則，孤立進行結(jié)構(gòu)完整性(強度和振動)設計，再 通過實驗進行驗證和修改設計。上述現(xiàn)有技術至少存在以下缺點分別單獨進行氣動設計和結(jié)構(gòu)完整性設計，人為割裂處于同一耦合系統(tǒng)的氣動設計與 結(jié)構(gòu)完整性設計的互相依存關系，導致結(jié)構(gòu)幾何形狀對氣動特性的影響較大，大小葉片整 體葉盤結(jié)構(gòu)的可靠性較低。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)幾何形狀對氣動特性的影響較小、可靠性高的大小葉片 整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法。 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，包括步驟 A、進行流一固界面的數(shù)字化和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模，具體包括界面上結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格 尺寸與流體網(wǎng)格尺寸間的定量關系；強度設計的結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格與大葉片、小葉片整體幾 何尺寸的定量關系；振動設計的結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關 系；結(jié)構(gòu)設計建模的氣動設計葉柵尺寸的定量剪裁關系；B、 基于所述流一固界面的數(shù)字化和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模進行結(jié)構(gòu)完整性設計；C、 判斷結(jié)構(gòu)完整性設計的結(jié)果是否滿足氣動和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標 如果滿足，則完成設計；如果不滿足，則對氣動設計進行修正，并根據(jù)修正的結(jié)果重新進行步驟A。由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明所述的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性 流固耦合一體化設計方法，由于在進行結(jié)構(gòu)完整性設計時，融合氣動和結(jié)構(gòu)完整性的綜合 性能指標，對設計的結(jié)果進行優(yōu)化。使結(jié)構(gòu)幾何形狀對氣動特性的影響較小、可靠性高。


圖l為現(xiàn)有技術中進行葉盤結(jié)構(gòu)設計的流程圖；圖2為本發(fā)明的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計的流程圖；圖3為本發(fā)明的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計平臺的原理框圖；圖4為本發(fā)明中一體化設計平臺的系統(tǒng)軟件配置圖。
具體實施方式
，本發(fā)明的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，其較佳的具體實施方式
如圖2所示，包括步驟l、進行流一固界面的數(shù)字化和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模，具體包括界面上結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格尺寸與流體網(wǎng)格尺寸間的定量關系；強度設計的結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關系；振動設計的結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關系；結(jié)構(gòu)設計建模的氣動設計葉柵尺寸的定量剪裁關系。可以首先進行流一固界面的數(shù)字化建模；然后根據(jù)所述流一固界面的數(shù)字化建模和氣體對結(jié)構(gòu)的作用參數(shù)進行結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模。步驟2、基于所述流一固界面的數(shù)字化和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模進行結(jié)構(gòu)完整性設計； 步驟3、判斷結(jié)構(gòu)完整性設計的結(jié)果是否滿足氣動和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標 如果滿足，則完成設計；如果不滿足，則對氣動設計進行修正，并根據(jù)修正的結(jié)果重新進行步驟l。其中的氣動和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標包括以下至少一項指標不同轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的強度指標；不同轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的剛度指標；不同轉(zhuǎn)動狀態(tài)的共振指標。上述的步驟2之后還包括，判斷所述結(jié)構(gòu)完整性設計的結(jié)果是否滿足結(jié)構(gòu)完整性的性能指標
如果滿足，則進行歩驟3;如果不滿足，則對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行修正，并進行歩驟l。其中 的結(jié)構(gòu)完整性的性能指標包括以下至少一項指標強度性能指標、剛度性能指標、振動性能指標。這樣，本發(fā)明的一體化設計方法便可以包含兩方面的循環(huán)設計 一是氣動與結(jié)構(gòu)完整 性間的循環(huán)設計；二是結(jié)構(gòu)完整性本身各方面(強度和振動等)的一體化循環(huán)設計。在對結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣動性能進行綜合修改時，可以包括在滿足強度性能時的結(jié)構(gòu)參數(shù)的 最佳修改方案；在滿足振動性能時的結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳修改方案。在具體進行大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計時，首先要建立一個設 計平臺。如圖3所示，該設計平臺是基于氣動(流體)設計的流一固界面特性分析、結(jié)構(gòu)(固 體)完整性分析、流一固耦合界面的數(shù)字化建模和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸和設計綜合指標分析與 設計修改等部分的集成。如圖4所示，平臺的主要軟件構(gòu)成包括界面數(shù)字化模擬與數(shù)據(jù)處理程序、氣動設計程 序、結(jié)構(gòu)完整性分析與設計程序、綜合性能分析程序和設計修改程序等，通過這些程序間 的具有柔性的最佳匹配和組合而形成集成化的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流一固耦合一 體化設計平臺。流(氣動)-固(結(jié)構(gòu))耦合一體化分析設計平臺將進行大小葉片軸流壓氣機的氣動 設計與其整體葉盤結(jié)構(gòu)強度、剛度、振動設計的專用和通用程序，經(jīng)過專有集成程序的有 機和柔性的集合，形成本專利的一體化分析平臺。其中氣動設計和結(jié)構(gòu)設計系統(tǒng)均是具有 獨特功能和性能的程序子系統(tǒng)?？梢哉鎸嵞M大小葉片葉盤結(jié)構(gòu)本身的物理、幾何性能以及實際工作中的各種載荷工況，并基于上述平臺的數(shù)字化仿真和循環(huán)設計，通過滿足綜合性能指標(包括氣動性能 的、結(jié)構(gòu)完整性的、以及加工制造的)和進行結(jié)構(gòu)參數(shù)設計的迭代修改，實現(xiàn)大小葉片整 體葉盤結(jié)構(gòu)完整性一體化設計。本發(fā)明的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，還可以包括 步驟4、對大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)進行失諧容限設計。理論上，周期對稱結(jié)構(gòu)的各子結(jié)構(gòu)具有完全相同的物理性質(zhì)和幾何形狀。各子結(jié)構(gòu)間 小量的差別稱為"失諧"。周期結(jié)構(gòu)因小量失諧會導致局部結(jié)構(gòu)響應過大的現(xiàn)象稱為"局 部化"。大小葉片葉盤結(jié)構(gòu)因設計要求和加工誤差而不可避免存在所謂"失諧"。對于具有 大小葉片的葉盤結(jié)構(gòu)，其各子結(jié)構(gòu)包含大葉片、小葉片和相應的輪盤扇區(qū)。因此其失諧的
形式、部位、程度與一般葉片葉盤結(jié)構(gòu)有很大不同，而且這些復雜失諧所產(chǎn)生的"局部 化"也會具有更加復雜的形式和特點。這樣，如何從滿足響應大小的容限要求出發(fā)，通過 建立"失諧"與局部化的關系，對大小葉片葉盤結(jié)構(gòu)的主動失諧和被動失諧提出設計要 求，即控制其設計質(zhì)量成為關鍵技術之一。大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)失諧振動局部化設計技術的設計方案是，通過進行失諧的定量 描述，確定失諧與振動響應局部化間的關系，確定失諧容限的設計要求。主要包括以下技 術振動局部化的定量描述基于振動位移的模態(tài)局部化因子；基于振動應變能的模態(tài)局部化因子；基于振動應力 的模態(tài)局部化因子。局部化對設計參量靈敏度對不同部位幾何參數(shù)的靈敏度；不同階次振動模態(tài)的靈敏度；對不同失諧區(qū)間的靈敏度。失諧容限與分析參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)關系 大葉片厚度失諧容限；小葉片厚度失諧容限。具體實施實例對某型大小葉片軸流壓氣機整體葉盤的結(jié)構(gòu)完整性，按上述的技術方案進行了設計實 現(xiàn)。具體過程是首先，建立了基于專用程序、通用程序以及專有程序集成的一體化設計平臺；然后，基于該平臺進行了整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性的一體化設計，包括結(jié)構(gòu)基本設計和氣動性能設計；氣動與結(jié)構(gòu)完整性各方面(強度和振動等)間的一體化循環(huán)設計，按照確定和不斷完善的綜合性能指標，進行了約120余次的循環(huán)和優(yōu)化，得到了可以滿足結(jié)構(gòu)完整性要求的大小葉片整體葉盤的結(jié)構(gòu)公稱設計。之后，在上述的設計平臺上，對所得到的公稱設計，進行失諧容限設計，確定了對設計失諧和加工失諧的要求。本發(fā)明實現(xiàn)了具有大小葉片的整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性的氣動-結(jié)構(gòu)的一體化設計，提高 了設計質(zhì)量和使用安全性、可靠性，縮短了研制周期，減少了研制費用。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1、一種大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，其特征在于，包括步驟A、進行流-固界面的數(shù)字化和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模，具體包括界面上結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格尺寸與流體網(wǎng)格尺寸間的定量關系；強度設計的結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關系；振動設計的結(jié)構(gòu)數(shù)字化網(wǎng)格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關系；結(jié)構(gòu)設計建模的氣動設計葉柵尺寸的定量剪裁關系；B、基于所述流-固界面的數(shù)字化和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模進行結(jié)構(gòu)完整性設計；C、判斷結(jié)構(gòu)完整性設計的結(jié)果是否滿足氣動和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標如果滿足，則完成設計；如果不滿足，則對氣動設計進行修正，并根據(jù)修正的結(jié)果重新進行步驟A。
2、 根據(jù)權利要求l所述的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，其 特征在于，所述的步驟B之后還包括，判斷所述結(jié)構(gòu)完整性設計的結(jié)果是否滿足結(jié)構(gòu)完整性 的性能指標如果滿足，則進行步驟C;如果不滿足，則對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行修正，并進行步驟A。
3、 根據(jù)權利要求2所述的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，其 特征在于，所述的結(jié)構(gòu)完整性的性能指標包括以下至少一項指標強度性能指標、剛度性能指標、振動性能指標。
4、 根據(jù)權利要求l所述的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，其 特征在于，所述的氣動和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標包括以下至少一項指標不同轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的強度指標； 不同轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的剛度指標； 不同轉(zhuǎn)動狀態(tài)的共振指標。
5、 根據(jù)權利要求l所述的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，其 特征在于，所述的步驟A包括步驟Al、進行流一固界面的數(shù)字化建模；A2、根據(jù)所述流一固界面的數(shù)字化建模和氣體對結(jié)構(gòu)的作用參數(shù)進行結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模。
6、 根據(jù)權利要求l所述的大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，其特征在于，還包括步驟D、 對大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)進行失諧容限設計。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設計方法，首先，進行流一固界面的數(shù)字化和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模；然后，基于所建模型進行結(jié)構(gòu)完整性設計。包含兩方面的循環(huán)設計一是氣動與結(jié)構(gòu)完整性間的循環(huán)設計；二是結(jié)構(gòu)完整性本身各方面(強度和振動等)的一體化循環(huán)設計。實現(xiàn)了具有大小葉片的整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性的氣動-結(jié)構(gòu)的一體化設計，提高了設計質(zhì)量和使用安全性、可靠性。
文檔編號G06F17/50GK101158990SQ20071017838
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月29日 優(yōu)先權日2007年11月29日
發(fā)明者李其漢, 王建軍, 陳懋章 申請人:北京航空航天大學