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(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)，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(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
目前，大小葉片軸流壓氣機(jī)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(duì)大小葉片之 間有可能具有更復(fù)雜、靈活的相互關(guān)系，因此采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)完整性 的評(píng)估和設(shè)計(jì)，尤其是基于流體、離心力場(chǎng)和其他各種激勵(lì)力作用下的結(jié)構(gòu)完整性(強(qiáng) 度、剛度和振動(dòng))的設(shè)計(jì)。如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中，整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性的設(shè)計(jì)方法，是在單獨(dú)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì) 的基礎(chǔ)上，基于安全裕度和常規(guī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，孤立進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性(強(qiáng)度和振動(dòng))設(shè)計(jì)，再 通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和修改設(shè)計(jì)。上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)分別單獨(dú)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)，人為割裂處于同一耦合系統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與 結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的互相依存關(guān)系，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)幾何形狀對(duì)氣動(dòng)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(duì)氣動(dòng)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(shè)計(jì)方法。 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)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(shè)計(jì)方法，包括步驟 A、進(jìn)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(guān)系；強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(guān)系；振動(dòng)設(shè)計(jì)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(guān) 系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模的氣動(dòng)設(shè)計(jì)葉柵尺寸的定量剪裁關(guān)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(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)；C、 判斷結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的結(jié)果是否滿足氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標(biāo) 如果滿足，則完成設(shè)計(jì)；如果不滿足，則對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，并根據(jù)修正的結(jié)果重新進(jìn)行步驟A。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)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(shè)計(jì)方法，由于在進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)時(shí)，融合氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)完整性的綜合 性能指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。使結(jié)構(gòu)幾何形狀對(duì)氣動(dòng)特性的影響較小、可靠性高。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)行葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)平臺(tái)的原理框圖；圖4為本發(fā)明中一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)的系統(tǒng)軟件配置圖。
具體實(shí)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(shè)計(jì)方法，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖2所示，包括步驟l、進(jìn)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(guān)系；強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(guān)系；振動(dòng)設(shè)計(jì)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(guān)系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模的氣動(dòng)設(shè)計(jì)葉柵尺寸的定量剪裁關(guān)系。可以首先進(jìn)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(duì)結(jié)構(gòu)的作用參數(shù)進(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)； 步驟3、判斷結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的結(jié)果是否滿足氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標(biāo) 如果滿足，則完成設(shè)計(jì)；如果不滿足，則對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，并根據(jù)修正的結(jié)果重新進(jìn)行步驟l。其中的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標(biāo)包括以下至少一項(xiàng)指標(biāo)不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的強(qiáng)度指標(biāo)；不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的剛度指標(biāo)；不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的共振指標(biāo)。上述的步驟2之后還包括，判斷所述結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的結(jié)果是否滿足結(jié)構(gòu)完整性的性能指標(biāo)
如果滿足，則進(jìn)行歩驟3;如果不滿足，則對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正，并進(jìn)行歩驟l。其中 的結(jié)構(gòu)完整性的性能指標(biāo)包括以下至少一項(xiàng)指標(biāo)強(qiáng)度性能指標(biāo)、剛度性能指標(biāo)、振動(dòng)性能指標(biāo)。這樣，本發(fā)明的一體化設(shè)計(jì)方法便可以包含兩方面的循環(huán)設(shè)計(jì) 一是氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)完整 性間的循環(huán)設(shè)計(jì)；二是結(jié)構(gòu)完整性本身各方面(強(qiáng)度和振動(dòng)等)的一體化循環(huán)設(shè)計(jì)。在對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣動(dòng)性能進(jìn)行綜合修改時(shí)，可以包括在滿足強(qiáng)度性能時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的 最佳修改方案；在滿足振動(dòng)性能時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳修改方案。在具體進(jìn)行大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性流固耦合一體化設(shè)計(jì)時(shí)，首先要建立一個(gè)設(shè) 計(jì)平臺(tái)。如圖3所示，該設(shè)計(jì)平臺(tái)是基于氣動(dòng)(流體)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)綜合指標(biāo)分析與 設(shè)計(jì)修改等部分的集成。如圖4所示，平臺(tái)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(dòng)設(shè)計(jì)程 序、結(jié)構(gòu)完整性分析與設(shè)計(jì)程序、綜合性能分析程序和設(shè)計(jì)修改程序等，通過(guò)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(shè)計(jì)平臺(tái)。流(氣動(dòng))-固(結(jié)構(gòu))耦合一體化分析設(shè)計(jì)平臺(tái)將進(jìn)行大小葉片軸流壓氣機(jī)的氣動(dòng) 設(shè)計(jì)與其整體葉盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)設(shè)計(jì)的專用和通用程序，經(jīng)過(guò)專有集成程序的有 機(jī)和柔性的集合，形成本專利的一體化分析平臺(tái)。其中氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)均是具有 獨(dú)特功能和性能的程序子系統(tǒng)。可以真實(shí)模擬大小葉片葉盤結(jié)構(gòu)本身的物理、幾何性能以及實(shí)際工作中的各種載荷工況，并基于上述平臺(tái)的數(shù)字化仿真和循環(huán)設(shè)計(jì)，通過(guò)滿足綜合性能指標(biāo)(包括氣動(dòng)性能 的、結(jié)構(gòu)完整性的、以及加工制造的)和進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的迭代修改，實(shí)現(xiàn)大小葉片整 體葉盤結(jié)構(gòu)完整性一體化設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)方法，還可以包括 步驟4、對(duì)大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行失諧容限設(shè)計(jì)。理論上，周期對(duì)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(huì)導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)響應(yīng)過(guò)大的現(xiàn)象稱為"局 部化"。大小葉片葉盤結(jié)構(gòu)因設(shè)計(jì)要求和加工誤差而不可避免存在所謂"失諧"。對(duì)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(yīng)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(fù)雜失諧所產(chǎn)生的"局部 化"也會(huì)具有更加復(fù)雜的形式和特點(diǎn)。這樣，如何從滿足響應(yīng)大小的容限要求出發(fā)，通過(guò) 建立"失諧"與局部化的關(guān)系，對(duì)大小葉片葉盤結(jié)構(gòu)的主動(dòng)失諧和被動(dòng)失諧提出設(shè)計(jì)要 求，即控制其設(shè)計(jì)質(zhì)量成為關(guān)鍵技術(shù)之一。大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)失諧振動(dòng)局部化設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)方案是，通過(guò)進(jìn)行失諧的定量 描述，確定失諧與振動(dòng)響應(yīng)局部化間的關(guān)系，確定失諧容限的設(shè)計(jì)要求。主要包括以下技 術(shù)振動(dòng)局部化的定量描述基于振動(dòng)位移的模態(tài)局部化因子；基于振動(dòng)應(yīng)變能的模態(tài)局部化因子；基于振動(dòng)應(yīng)力 的模態(tài)局部化因子。局部化對(duì)設(shè)計(jì)參量靈敏度對(duì)不同部位幾何參數(shù)的靈敏度；不同階次振動(dòng)模態(tài)的靈敏度；對(duì)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(guān)系 大葉片厚度失諧容限；小葉片厚度失諧容限。具體實(shí)施實(shí)例對(duì)某型大小葉片軸流壓氣機(jī)整體葉盤的結(jié)構(gòu)完整性，按上述的技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)。具體過(guò)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(shè)計(jì)平臺(tái)；然后，基于該平臺(tái)進(jìn)行了整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性的一體化設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)和氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)；氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)完整性各方面(強(qiáng)度和振動(dòng)等)間的一體化循環(huán)設(shè)計(jì)，按照確定和不斷完善的綜合性能指標(biāo)，進(jìn)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(shè)計(jì)。之后，在上述的設(shè)計(jì)平臺(tái)上，對(duì)所得到的公稱設(shè)計(jì)，進(jìn)行失諧容限設(shè)計(jì)，確定了對(duì)設(shè)計(jì)失諧和加工失諧的要求。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了具有大小葉片的整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性的氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，提高 了設(shè)計(jì)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(fèi)用。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)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(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括步驟A、進(jìn)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(guān)系；強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(guān)系；振動(dòng)設(shè)計(jì)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(guān)系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模的氣動(dòng)設(shè)計(jì)葉柵尺寸的定量剪裁關(guān)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(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)；C、判斷結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的結(jié)果是否滿足氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標(biāo)如果滿足，則完成設(shè)計(jì)；如果不滿足，則對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，并根據(jù)修正的結(jié)果重新進(jìn)行步驟A。
2、 根據(jù)權(quán)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的結(jié)果是否滿足結(jié)構(gòu)完整性 的性能指標(biāo)如果滿足，則進(jìn)行步驟C;如果不滿足，則對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正，并進(jìn)行步驟A。
3、 根據(jù)權(quán)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(shè)計(jì)方法，其 特征在于，所述的結(jié)構(gòu)完整性的性能指標(biāo)包括以下至少一項(xiàng)指標(biāo)強(qiáng)度性能指標(biāo)、剛度性能指標(biāo)、振動(dòng)性能指標(biāo)。
4、 根據(jù)權(quán)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(shè)計(jì)方法，其 特征在于，所述的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)完整性的綜合性能指標(biāo)包括以下至少一項(xiàng)指標(biāo)不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的強(qiáng)度指標(biāo)； 不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的剛度指標(biāo)； 不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的共振指標(biāo)。
5、 根據(jù)權(quán)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(shè)計(jì)方法，其 特征在于，所述的步驟A包括步驟Al、進(jìn)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(duì)結(jié)構(gòu)的作用參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建模。
6、 根據(jù)權(quán)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(shè)計(jì)方法，其特征在于，還包括步驟D、 對(duì)大小葉片整體葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行失諧容限設(shè)計(jì)。
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(shè)計(jì)方法，首先，進(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)。包含兩方面的循環(huán)設(shè)計(jì)一是氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)完整性間的循環(huán)設(shè)計(jì)；二是結(jié)構(gòu)完整性本身各方面(強(qiáng)度和振動(dòng)等)的一體化循環(huán)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了具有大小葉片的整體葉盤結(jié)構(gòu)完整性的氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和使用安全性、可靠性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101158990SQ20071017838
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者李其漢, 王建軍, 陳懋章 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)