CN101158990A - 大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，首先，进行流一固界面的数字化和结构的数字化建模；然后，基于所建模型进行结构完整性设计。包含两方面的循环设计：一是气动与结构完整性间的循环设计；二是结构完整性本身各方面(强度和振动等)的一体化循环设计。实现了具有大小叶片的整体叶盘结构完整性的气动－结构的一体化设计，提高了设计质量和使用安全性、可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡轮设计技术，尤其涉及一种大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法。
背景技术
目前，大小叶片轴流压气机的叶盘转子大都是采用整体叶盘结构形式，由于这种大小叶片的整体叶盘结构，叶片总体上沿周向呈一大一小交替布置，而且在每一对大小叶片之间有可能具有更复杂、灵活的相互关系，因此采用常规的设计方法无法实现其结构完整性的评估和设计，尤其是基于流体、离心力场和其他各种激励力作用下的结构完整性(强度、刚度和振动)的设计。
如图1所示，现有技术中，整体叶盘结构完整性的设计方法，是在单独进行气动设计的基础上，基于安全裕度和常规设计准则，孤立进行结构完整性(强度和振动)设计，再通过实验进行验证和修改设计。
上述现有技术至少存在以下缺点：
分别单独进行气动设计和结构完整性设计，人为割裂处于同一耦合系统的气动设计与结构完整性设计的互相依存关系，导致结构几何形状对气动特性的影响较大，大小叶片整体叶盘结构的可靠性较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构几何形状对气动特性的影响较小、可靠性高的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，包括步骤：
A、进行流-固界面的数字化和结构的数字化建模，具体包括界面上结构数字化网格尺寸与流体网格尺寸间的定量关系；强度设计的结构数字化网格与大叶片、小叶片整体几何尺寸的定量关系；振动设计的结构数字化网格与大叶片、小叶片整体几何尺寸的定量关系；结构设计建模的气动设计叶栅尺寸的定量剪裁关系；
B、基于所述流 固界面的数字化和结构的数字化建模进行结构完整性设计；
C、判断结构完整性设计的结果是否满足气动和结构完整性的综合性能指标：
如果满足，则完成设计；如果不满足，则对气动设计进行修正，并根据修正的结果重新进行步骤A。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，由于在进行结构完整性设计时，融合气动和结构完整性的综合性能指标，对设计的结果进行优化。使结构几何形状对气动特性的影响较小、可靠性高。
附图说明
图1为现有技术中进行叶盘结构设计的流程图；
图2为本发明的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计的流程图；
图3为本发明的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计平台的原理框图；
图4为本发明中一体化设计平台的系统软件配置图。
具体实施方式
本发明的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，其较佳的具体实施方式如图2所示，包括：
步骤1、进行流-固界面的数字化和结构的数字化建模，具体包括界面上结构数字化网格尺寸与流体网格尺寸间的定量关系；强度设计的结构数字化网格与大叶片、小叶片整体几何尺寸的定量关系；振动设计的结构数字化网格与大叶片、小叶片整体几何尺寸的定量关系；结构设计建模的气动设计叶栅尺寸的定量剪裁关系。
可以首先进行流-固界面的数字化建模；然后根据所述流-固界面的数字化建模和气体对结构的作用参数进行结构的数字化建模。
步骤2、基于所述流-固界面的数字化和结构的数字化建模进行结构完整性设计；
步骤3、判断结构完整性设计的结果是否满足气动和结构完整性的综合性能指标：
如果满足，则完成设计；如果不满足，则对气动设计进行修正，并根据修正的结果重新进行步骤1。其中的气动和结构完整性的综合性能指标包括以下至少一项指标：
不同转动状态下的强度指标；不同转动状态下的刚度指标；不同转动状态的共振指标。
上述的步骤2之后还包括，判断所述结构完整性设计的结果是否满足结构完整性的性能指标：
如果满足，则进行步骤3；如果不满足，则对结构参数进行修正，并进行步骤1。其中的结构完整性的性能指标包括以下至少一项指标：
强度性能指标、刚度性能指标、振动性能指标。
这样，本发明的一体化设计方法便可以包含两方面的循环设计：一是气动与结构完整性间的循环设计；二是结构完整性本身各方面(强度和振动等)的一体化循环设计。
在对结构参数与气动性能进行综合修改时，可以包括在满足强度性能时的结构参数的最佳修改方案；在满足振动性能时的结构参数的最佳修改方案。
在具体进行大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计时，首先要建立一个设计平台。
如图3所示，该设计平台是基于气动(流体)设计的流-固界面特性分析、结构(固体)完整性分析、流-固耦合界面的数字化建模和数据转换与传输和设计综合指标分析与设计修改等部分的集成。
如图4所示，平台的主要软件构成包括界面数字化模拟与数据处理程序、气动设计程序、结构完整性分析与设计程序、综合性能分析程序和设计修改程序等，通过这些程序间的具有柔性的最佳匹配和组合而形成集成化的大小叶片整体叶盘结构完整性流-固耦合一体化设计平台。
流(气动)-固(结构)耦合一体化分析设计平台将进行大小叶片轴流压气机的气动设计与其整体叶盘结构强度、刚度、振动设计的专用和通用程序，经过专有集成程序的有机和柔性的集合，形成本专利的一体化分析平台。其中气动设计和结构设计系统均是具有独特功能和性能的程序子系统。
可以真实模拟大小叶片叶盘结构本身的物理、几何性能以及实际工作中的各种载荷工况，并基于上述平台的数字化仿真和循环设计，通过满足综合性能指标(包括气动性能的、结构完整性的、以及加工制造的)和进行结构参数设计的迭代修改，实现大小叶片整体叶盘结构完整性一体化设计。
本发明的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，还可以包括：
步骤4、对大小叶片整体叶盘结构进行失谐容限设计。
理论上，周期对称结构的各子结构具有完全相同的物理性质和几何形状。各子结构间小量的差别称为“失谐”。周期结构因小量失谐会导致局部结构响应过大的现象称为“局部化”。
大小叶片叶盘结构因设计要求和加工误差而不可避免存在所谓“失谐”。对于具有大小叶片的叶盘结构，其各子结构包含大叶片、小叶片和相应的轮盘扇区。因此其失谐的形式、部位、程度与一般叶片叶盘结构有很大不同，而且这些复杂失谐所产生的“局部化”也会具有更加复杂的形式和特点。这样，如何从满足响应大小的容限要求出发，通过建立“失谐”与局部化的关系，对大小叶片叶盘结构的主动失谐和被动失谐提出设计要求，即控制其设计质量成为关键技术之一。
大小叶片整体叶盘结构失谐振动局部化设计技术的设计方案是，通过进行失谐的定量描述，确定失谐与振动响应局部化间的关系，确定失谐容限的设计要求。主要包括以下技术：
振动局部化的定量描述：
基于振动位移的模态局部化因子；基于振动应变能的模态局部化因子；基于振动应力的模态局部化因子。
局部化对设计参量灵敏度：
对不同部位几何参数的灵敏度；不同阶次振动模态的灵敏度；对不同失谐区间的灵敏度。
失谐容限与分析参数、结构参数关系：
大叶片厚度失谐容限；小叶片厚度失谐容限。
具体实施实例：
对某型大小叶片轴流压气机整体叶盘的结构完整性，按上述的技术方案进行了设计实现。具体过程是：
首先，建立了基于专用程序、通用程序以及专有程序集成的一体化设计平台；
然后，基于该平台进行了整体叶盘结构完整性的一体化设计，包括结构基本设计和气动性能设计；气动与结构完整性各方面(强度和振动等)间的一体化循环设计，按照确定和不断完善的综合性能指标，进行了约120余次的循环和优化，得到了可以满足结构完整性要求的大小叶片整体叶盘的结构公称设计。
之后，在上述的设计平台上，对所得到的公称设计，进行失谐容限设计，确定了对设计失谐和加工失谐的要求。
本发明实现了具有大小叶片的整体叶盘结构完整性的气动-结构的一体化设计，提高了设计质量和使用安全性、可靠性，缩短了研制周期，减少了研制费用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，其特征在于，包括步骤：
A、进行流一固界面的数字化和结构的数字化建模，具体包括界面上结构数字化网格尺寸与流体网格尺寸间的定量关系；强度设计的结构数字化网格与大叶片、小叶片整体几何尺寸的定量关系；振动设计的结构数字化网格与大叶片、小叶片整体几何尺寸的定量关系；结构设计建模的气动设计叶栅尺寸的定量剪裁关系；
B、基于所述流-固界面的数字化和结构的数字化建模进行结构完整性设计；
C、判断结构完整性设计的结果是否满足气动和结构完整性的综合性能指标：
如果满足，则完成设计；如果不满足，则对气动设计进行修正，并根据修正的结果重新进行步骤A。
2.根据权利要求1所述的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，其特征在于，所述的步骤B之后还包括，判断所述结构完整性设计的结果是否满足结构完整性的性能指标：
如果满足，则进行步骤C；如果不满足，则对结构参数进行修正，并进行步骤A。
3.根据权利要求2所述的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，其特征在于，所述的结构完整性的性能指标包括以下至少一项指标：
强度性能指标、刚度性能指标、振动性能指标。
4.根据权利要求1所述的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，其特征在于，所述的气动和结构完整性的综合性能指标包括以下至少一项指标：
不同转动状态下的强度指标；
不同转动状态下的刚度指标；
不同转动状态的共振指标。
5.根据权利要求1所述的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，其特征在于，所述的步骤A包括步骤：
A1、进行流一固界面的数字化建模；
A2、根据所述流-固界面的数字化建模和气体对结构的作用参数进行结构的数字化建模。
6.根据权利要求1所述的大小叶片整体叶盘结构完整性流固耦合一体化设计方法，其特征在于，还包括步骤：
D、对大小叶片整体叶盘结构进行失谐容限设计。
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