專利名稱:大小葉片整體葉盤結構完整性流固耦合一體化設計方法
技術領域:
本發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構完整性流固耦合 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子大都是采用整體葉盤結構形式,由于這種大小 葉片的整體葉盤結構,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,因此采用常規的設計方法無法實現其結構完整性 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構完整性(強 度、剛度和振動)的設計。如圖1所示,現有技術中,整體葉盤結構完整性的設計方法,是在單獨進行氣動設計 的基礎上,基于安全裕度和常規設計準則,孤立進行結構完整性(強度和振動)設計,再 通過實驗進行驗證和修改設計。上述現有技術至少存在以下缺點分別單獨進行氣動設計和結構完整性設計,人為割裂處于同一耦合系統的氣動設計與 結構完整性設計的互相依存關系,導致結構幾何形狀對氣動特性的影響較大,大小葉片整 體葉盤結構的可靠性較低。發明內容本發明的目的是提供一種結構幾何形狀對氣動特性的影響較小、可靠性高的大小葉片 整體葉盤結構完整性流固耦合一體化設計方法。 本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明的大小葉片整體葉盤結構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字化和結構的數字化建模,具體包括界面上結構數字化網格 尺寸與流體網格尺寸間的定量關系;強度設計的結構數字化網格與大葉片、小葉片整體幾 何尺寸的定量關系;振動設計的結構數字化網格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關 系;結構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字化和結構的數字化建模進行結構完整性設計;C、 判斷結構完整性設計的結果是否滿足氣動和結構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,并根據修正的結果重新進行步驟A。由上述本發明提供的技術方案可以看出,本發明所述的大小葉片整體葉盤結構完整性 流固耦合一體化設計方法,由于在進行結構完整性設計時,融合氣動和結構完整性的綜合 性能指標,對設計的結果進行優化。使結構幾何形狀對氣動特性的影響較小、可靠性高。
圖l為現有技術中進行葉盤結構設計的流程圖;圖2為本發明的大小葉片整體葉盤結構完整性流固耦合一體化設計的流程圖;圖3為本發明的大小葉片整體葉盤結構完整性流固耦合一體化設計平臺的原理框圖;圖4為本發明中一體化設計平臺的系統軟件配置圖。
具體實施方式
,本發明的大小葉片整體葉盤結構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字化和結構的數字化建模,具體包括界面上結構數字化網格尺寸與流體網格尺寸間的定量關系;強度設計的結構數字化網格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關系;振動設計的結構數字化網格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關系;結構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字化建模;然后根據所述流一固界面的數字化建模和氣體對結構的作用參數進行結構的數字化建模。步驟2、基于所述流一固界面的數字化和結構的數字化建模進行結構完整性設計; 步驟3、判斷結構完整性設計的結果是否滿足氣動和結構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,并根據修正的結果重新進行步驟l。其中的氣動和結構完整性的綜合性能指標包括以下至少一項指標不同轉動狀態下的強度指標;不同轉動狀態下的剛度指標;不同轉動狀態的共振指標。上述的步驟2之后還包括,判斷所述結構完整性設計的結果是否滿足結構完整性的性能指標
如果滿足,則進行歩驟3;如果不滿足,則對結構參數進行修正,并進行歩驟l。其中 的結構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,本發明的一體化設計方法便可以包含兩方面的循環設計 一是氣動與結構完整 性間的循環設計;二是結構完整性本身各方面(強度和振動等)的一體化循環設計。在對結構參數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構參數的 最佳修改方案;在滿足振動性能時的結構參數的最佳修改方案。在具體進行大小葉片整體葉盤結構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、結構(固 體)完整性分析、流一固耦合界面的數字化建模和數據轉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,平臺的主要軟件構成包括界面數字化模擬與數據處理程序、氣動設計程 序、結構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構完整性流一固耦合一 體化設計平臺。流(氣動)-固(結構)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構強度、剛度、振動設計的專用和通用程序,經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。其中氣動設計和結構設計系統均是具有 獨特功能和性能的程序子系統。可以真實模擬大小葉片葉盤結構本身的物理、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字化仿真和循環設計,通過滿足綜合性能指標(包括氣動性能 的、結構完整性的、以及加工制造的)和進行結構參數設計的迭代修改,實現大小葉片整 體葉盤結構完整性一體化設計。本發明的大小葉片整體葉盤結構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構進行失諧容限設計。理論上,周期對稱結構的各子結構具有完全相同的物理性質和幾何形狀。各子結構間 小量的差別稱為"失諧"。周期結構因小量失諧會導致局部結構響應過大的現象稱為"局 部化"。大小葉片葉盤結構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 大小葉片的葉盤結構,其各子結構包含大葉片、小葉片和相應的輪盤扇區。因此其失諧的
形式、部位、程度與一般葉片葉盤結構有很大不同,而且這些復雜失諧所產生的"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,通過 建立"失諧"與局部化的關系,對大小葉片葉盤結構的主動失諧和被動失諧提出設計要 求,即控制其設計質量成為關鍵技術之一。大小葉片整體葉盤結構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局部化因子;基于振動應變能的模態局部化因子;基于振動應力 的模態局部化因子。局部化對設計參量靈敏度對不同部位幾何參數的靈敏度;不同階次振動模態的靈敏度;對不同失諧區間的靈敏度。失諧容限與分析參數、結構參數關系 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構完整性,按上述的技術方案進行了設計實 現。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構完整性的一體化設計,包括結構基本設計和氣動性能設計;氣動與結構完整性各方面(強度和振動等)間的一體化循環設計,按照確定和不斷完善的綜合性能指標,進行了約120余次的循環和優化,得到了可以滿足結構完整性要求的大小葉片整體葉盤的結構公稱設計。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。本發明實現了具有大小葉片的整體葉盤結構完整性的氣動-結構的一體化設計,提高 了設計質量和使用安全性、可靠性,縮短了研制周期,減少了研制費用。以上所述,僅為本發明較佳的具體實施方式
,但本發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明揭露的技術范圍內,可輕易想到的變化或替換,都 應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種大小葉片整體葉盤結構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-固界面的數字化和結構的數字化建模,具體包括界面上結構數字化網格尺寸與流體網格尺寸間的定量關系;強度設計的結構數字化網格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關系;振動設計的結構數字化網格與大葉片、小葉片整體幾何尺寸的定量關系;結構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-固界面的數字化和結構的數字化建模進行結構完整性設計;C、判斷結構完整性設計的結果是否滿足氣動和結構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,并根據修正的結果重新進行步驟A。
2、 根據權利要求l所述的大小葉片整體葉盤結構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,判斷所述結構完整性設計的結果是否滿足結構完整性 的性能指標如果滿足,則進行步驟C;如果不滿足,則對結構參數進行修正,并進行步驟A。
3、 根據權利要求2所述的大小葉片整體葉盤結構完整性流固耦合一體化設計方法,其 特征在于,所述的結構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、 根據權利要求l所述的大小葉片整體葉盤結構完整性流固耦合一體化設計方法,其 特征在于,所述的氣動和結構完整性的綜合性能指標包括以下至少一項指標不同轉動狀態下的強度指標; 不同轉動狀態下的剛度指標; 不同轉動狀態的共振指標。
5、 根據權利要求l所述的大小葉片整體葉盤結構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字化建模;A2、根據所述流一固界面的數字化建模和氣體對結構的作用參數進行結構的數字化建模。
6、 根據權利要求l所述的大小葉片整體葉盤結構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構進行失諧容限設計。
全文摘要
本發明公開了一種大小葉片整體葉盤結構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字化和結構的數字化建模;然后,基于所建模型進行結構完整性設計。包含兩方面的循環設計一是氣動與結構完整性間的循環設計;二是結構完整性本身各方面(強度和振動等)的一體化循環設計。實現了具有大小葉片的整體葉盤結構完整性的氣動-結構的一體化設計,提高了設計質量和使用安全性、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 優先權日2007年11月29日
發明者李其漢, 王建軍, 陳懋章 申請人:北京航空航天大學