CN109033661A - 一种叶轮的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶轮的设计方法，属于计算机领域。所述设计方法包括：根据叶轮的初始结构建立所述叶轮的初始模型；分析所述初始模型，得到所述叶轮的应力值、变形值以及重量值；以所述重量值最轻为目标，以所述应力值和所述变形值满足所述叶轮的设计要求为约束条件，采用优化算法对所述叶轮进行优化，得到轻量化的叶轮结构。所述设计方法在实现了叶轮轻量化的同时，也提供了应力和变形的约束条件，为叶轮的轻量化和优化提供了一种有效且可靠的设计方法。

Description

一种叶轮的设计方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体而言，涉及一种叶轮的设计方法。

背景技术

叶轮可以应用于冲压式的汽轮机上，如蒸汽压缩机，叶轮的材料一般采用叶片钢或者钛合金，这两种材料的应力或者强度等参数都比较好。但是，如果叶轮的质量较大，对整个叶轮构成的转子组的稳定性及结构设计带来困难，所以叶轮的结构应该在满足应力或者其他条件的约束下，尽量轻量化。

由于叶轮的减重设计涉及到很多结构参数，例如应力、强度等，为了得到最优的方案需要反复对设计的参数进行调整，导致设计的效率很低。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种叶轮的设计方法。

为了实现上述目的，本发明实施例所提供的技术方案如下所示：

本发明实施例提供一种叶轮的设计方法，其特征在于，包括：

根据叶轮的初始结构建立所述叶轮的初始模型；分析所述初始模型，得到所述叶轮的应力值、变形值以及重量值；以所述重量值最轻为目标，以所述应力值和所述变形值满足所述叶轮的设计要求为约束条件，采用优化算法对所述叶轮进行优化，得到轻量化的叶轮结构。

进一步的，在分析所述初始模型，得到所述叶轮的应力值、变形值以及重量值后，所述方法还包括：计算所述叶轮上的不同结构的应力值影响系数、变形值影响系数以及重量值影响系数；筛选出所述应力值影响系数、所述变形值影响系数以及所述重量值影响系数大于影响系数阈值的所述叶轮上的需要优化的结构参数；所述采用优化算法对所述叶轮进行优化包括：采用优化算法对所述需要优化的结构参数进行优化。

进一步的，计算所述叶轮上的不同结构的应力值影响系数、变形值影响系数以及重量值影响系数的步骤包括：设置所述叶轮结构参数的取值范围和计算次数；根据所述取值范围和取值次数改变所述叶轮结构参数的值，得到所述应力值影响系数、所述变形值影响系数、所述重量值影响系数。

进一步的，在采用优化算法对所述叶轮进行优化，得到轻量化的叶轮结构后，所述方法还包括：对所述轻量化的叶轮结构中的最优叶轮结构进行模态振动校验，检测所述叶轮在不同模态下振动的频率；若所述最优叶轮结构的所述频率不满足设计要求，选择次优级的叶轮结构作为优化的叶轮结构；再次执行上述模态振动校验操作。

进一步的，在根据叶轮的初始结构建立所述叶轮的初始模型后，所述方法还包括：在所述初始模型中定义所述叶轮的结构参数，所述结构参数包括叶轮背盘尺寸参数；将定义所述结构参数后的叶轮模型导入静强度分析模块；采用网格单元对所述叶轮模型进行网格划分。

进一步的，所述静强度分析模块为ANSYS软件；所述网格单元为四面体网格单元。

进一步的，采用优化算法对所述叶轮进行优化，得到轻量化的叶轮结构，包括：采用优化算法，根据所述目标和所述约束条件设置优化的收敛条件；判断优化结果是否满足收敛条件，若所述优化结果满足收敛条件，则确定所述优化结果能够作为轻量化的叶轮结构。

进一步的，所述设置优化的收敛条件包括：设置所述优化算法的最大计算次数。

进一步的，所述优化算法为单目标遗传算法。

进一步的，分析所述初始模型包括：获取所述叶轮的材料屈服强度、所述叶轮在工作状态下的安全系数、所述叶轮的叶顶间隙值；根据所述材料屈服强度和所述安全系数计算所述叶轮的应力值的设计要求，根据所述叶顶间隙值确定所述叶轮的变形值的设计要求。

本发明实施例所提供的叶轮的设计方法通过建立所述叶轮的模型，并对模型进行分析，设置轻量化的目标和约束条件，再加上理论的优化算法，从而完成对所述叶轮的优化，实现叶轮的减重设计。这种建立模型和加上理论算法的方式能够自动的完成所述叶轮的轻量化的优化设计，且所述优化算法为通过计算机自动完成优化设计的计算，能够得到在相应约束条件下快速的得到最优的设计方案，提高叶轮优化过程的效率和优化质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的叶轮的设计方法的整体流程图；

图2为本发明实施例提供的叶轮的设计方法的第一实施例流程图；

图3为本发明实施例提供的叶轮的设计方法的第二实施例流程图；

图4为本发明实施例提供的叶轮的设计方法的第三实施例流程图；

图5为本发明实施例提供的叶轮的设计方法的第四实施例流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1，是本发明提供的叶轮的设计方法整体流程图，本发明提供的叶轮的设计方法基于计算机，通过该计算机响应用户的叶轮设计操作而执行该叶轮的设计方法，从而实现该叶轮的设计方法相应的效果。本实施例中，该叶轮的设计方法包括：步骤100、步骤200、步骤300、步骤400和步骤500。

步骤100:建立叶轮的初始模型。

步骤200：分析所述初始模型，得到所述叶轮的应力值、变形值、重量值。

步骤300：计算所述叶轮上的不同结构的应力值影响系数、变形值影响系数、重量值影响系数。

步骤400：筛选出所述叶轮上需要优化的结构参数。

步骤500：采用优化算法对所述叶轮上需要进行优化的结构参数进行优化，得到轻量化的叶轮结构。

请参阅图1-图5，下面将对叶轮的设计方法的各个流程进行详细的阐述。

步骤100：建立叶轮的初始模型。其中，所述初始模型根据所述叶轮的初始结构建立，所述初始结构能够满足所述叶轮的基本结构，所述初始结构可以根据用户的经验确定从而建立初始模型。所述初始模型可以在SolidWorks中建立，SolidWorks是一种三维机械设计软件，用户可以根据所述叶轮的实体模型在SolidWorks搭建三维的叶轮结构。可选的，所述初始模型也可以在其他三维机械设计软件中建立，例如Pro/Engineer等。

通过所述叶轮初始模型的建立，为叶轮的轻量化设计提供基础，可以基于所述初始模型进行分析和具体的操作。

可选的，在步骤100之后可以对所述模型作相应的处理，所述处理可以便于后面的优化操作，所述处理方法包括：

步骤101：定义结构参数，所述结构参数包括叶轮背盘尺寸参数。

其中，所述结构参数表征能够决定所述叶轮的结构的参数，例如叶轮的叶顶的尺寸参数，例如叶轮的背盘的尺寸参数，在所述结构参数改变的过程中，所述叶轮的应力值、变形值以及重量值会相应改变。在本发明实施例中，以所述结构参数为叶轮的背盘尺寸参数为例。

步骤102：导入静强度分析模块。

将定义所述结构参数后的叶轮模型导入静强度分析模块中，可以分析所述叶轮的静强度。其中，所述静强度分析可以分析所述叶轮的结构抵抗变形的能力和所述叶轮在工作状态下的应力值、变形值和模态振动等特性，通过静强度分析可以得到所述叶轮的应力值、变形值以及重量值。

可选的，所述静强度分析模块可以是ANSYS软件，也可以是CATIA软件，或者其他能够进行静强度分析的软件或者模块。

步骤103：网格划分。所述网格划分采用的是网格单元操作的，通过所述网格单元对所述初始模型进行网格划分，能够把所述初始模型分成很多比较小的单元，方便对所述初始模型进行分析和计算。

可选的，所述网格单元可以为四面体网格划分单元，所述网格划分可以采用ICEMCFD(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code forComputational Fluid Dynamics)软件、GAMBIT工具或者其他网格划分工具或者软件。

在对所述初始模型进行上述处理后，所述设计方法还包括：

步骤200：分析所述初始模型，得到所述叶轮的应力值、变形值、重量值。

需要注意的是，通过分析所述初始模型得到的是所述叶轮初始结构的所述应力值、所述变形值、所述重量值。

可选的，请参照图3，在执行步骤200的过程中，步骤200的详细执行流程可以包括：

步骤201：获取叶轮的材料屈服强度、叶轮在工作状态下的安全系数、叶轮的叶顶间隙值。其中，所述屈服强度可以表征构成所述叶轮的材料发生屈服现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力；所述安全系数可以表征所述叶轮在工作状态下的安全系数，所述安全系数可以由用户设定，所述叶轮的安全系数一般为1.3；所述叶顶间隙值可以表征所述叶轮的最大轴向变形值。

步骤202：计算所述叶轮的应力设计要求、确定所述叶轮的变形值的设计要求。作为一种可选的实施方式，所述应力设计要求的计算方式可以为：所述应力值的最大值不超过所述屈服强度除所述安全系数得到的值。所述变形值的设计要求可以为：所述叶轮的变形值的最大值为所述叶顶间隙值。

通过所述步骤201和所述步骤201能够得到所述变形值和所述应力值的设计要求，所述设计要求能够满足叶轮结构的稳定性，从而对所述叶轮结构的优化作一个约束，使所述叶轮能够实现基本功能。

在完成所述初始模型的分析，得到所述叶轮的应力值、变形值以及重量值后，可以以所述重量值最轻为目标，以所述应力值和所述变形值满足所述叶轮的设计要求为约束条件，采用优化算法对所述叶轮进行优化，得到轻量化的叶轮结构。其中，所述优化的过程可以通过将所述模型导入有限元分析的软件对所述初始模型进行有限元分析和计算实现，所述有限元分析软件可以是ANSYS软件、I-DEAS软件等。具体的分析和计算过程可以根据用户的优化需求而设置，本发明实施例对一种可选的实施方式作具体介绍。

可选的，所述方法还包括步骤300：计算所述叶轮上的不同结构的应力值影响系数、变形值影响系数、重量值影响系数。需要注意的是，上述步骤中的得到的所述叶轮的应力值、变形值以及所述重量值是多个，因为所述叶轮上的不同的结构的参数值是不一样的，所以可以计算所述叶轮上的不同结构的参数的影响系数。

可选的，以所述结构参数为叶轮的背盘尺寸参数为例，所述计算所述叶轮的结构参数的影响系数的方式可以为：设置所述叶轮的背盘尺寸参数的取值范围和计算次数，所述取值范围可以根据用户的经验设置，一般取各尺寸参数的上下百分之二十为尺寸参数的波动范围；所述计算次数表征在改变所述尺寸参数的值后，计算所述应力值、变形值、重量值的次数，所述计算次数也可以根据用户的经验设置，也可以根据取值范围设置，如果取值范围较小，那么计算的次数也可以较少，取值范围较大，那么计算的次数也可以较多。需要注意的是，在有限元分析软件中输入所述取值范围和所述计算次数，所述有限元分析软件就会进行相应的计算，从而得到所述应力值影响系数、所述变形值影响系数、所述重量值影响系数。

所述影响系数可以表征所述叶轮上的不同结构参数对所述叶轮的应力值、变形值、重量值的影响能力，从而选择性的对所述叶轮的结构参数进行优化，提高优化的效率。

可选的，所述方法还包括步骤400：筛选出所述叶轮上需要优化的结构参数。其中，所述叶轮上需要优化的结构可以为所述应力值影响系数、所述变形值影响系数以及所述重量值影响系数大于影响系数阈值的结构。根据所述影响系数，筛选出所述叶轮上对所述应力值、所述变形值、所述重量值影响较大的结构参数，从而筛选出所述叶轮上需要优化的结构参数。需要注意的是，所述影响系数的取值范围在0-1之间，所述影响系数越接近1表征所述结构参数与对所述叶轮的应力值、变形值及重力值的影响越大，因此所述影响系数阈值可以由用户根据所述叶轮的结构在所述有限元软件中设置，对于所述叶轮，所述影响系数一般大于0.1代表对所述叶轮的应力值、变形值及重力值有影响，所以所述影响系数阈值可以设置为0.1。

通过筛选出所述叶轮上需要优化的结构参数，能够选择性的对所述叶轮进行优化设计，提高了优化效率，同时优化的工作量变小，优化的结果也可以更准确。

可选的，所述方法还包括步骤500：采用优化算法对所述叶轮上需要进行优化的结构参数进行优化，得到轻量化的叶轮结构。

可选的，请参见图4，作为一种可选的实施方式，所述步骤500的具体流程可以是包括：

步骤501：设置收敛条件。其中，所述收敛条件可以是根据所述应力值的设计要求、所述变形值的设计要求以及最小的重量值设置的优化次数，所述优化次数可以代表对所述结构参数进行优化的次数。也可以是所述应力值、所述变形值、所述重量值在对所述结构参数进行优化的过程中的改变值，所述改变值可以表征所述应力值是否达到所述应力值的设计要求、所述变形值是否达到所述变形值的设计要求、所述重量值是否达到重量最小的标准，所述改变值可以设置为一个比较小的值，例如在0-0.1之间或者更小。

步骤502：判断优化结果是否满足所述收敛条件。

其中，若所述收敛条件为所述优化次数，则判断当前的优化次数是否达到设置的所述优化次数；若所述收敛条件为所述改变值，则判断当前的改变值是否小于或者等于设置的所述改变值。

步骤503：确定所述优化结果作为轻量化的叶轮结构。

通过设置所述收敛条件，只要满足所述收敛条件，就可以作为一种优化结果，因此可以得到多个满足约束条件和优化目标的轻量化的叶轮结构。

可选的，所述优化算法可以是单目标遗传算法，所述单目标遗传算法为有限元软件中自带的算法，所述优化算法也可以是其他所述有限元软件中的优化算法，例如拉格朗日非线性规划算法等，所述优化算法可以由用户根据需要选择。

需要注意的是，在有限元软件中，会对得到的多个优化结果按照优化的等级进行排序，用户可以根据其他的设计需求在最优级、次优级或者次优级以下的优化结果中进行选择。在本发明实施例中，请参照图5，以可选的一种设计需求为例，进一步分析优化设计后的所述叶轮，所述方法包括：

步骤600：对最优的叶轮结构进行模态振动校验。所述模态振动校验可以检测所述叶轮在不同模态下的振动频率，所述振动频率可以影响所述叶轮在不同模态下的振动的可靠性，以及所述叶轮在转子组中运行的安全性。

步骤601：判断所述最优叶轮结构是否满足振动要求，若所述最优叶轮结构满足振动要求，执行步骤602；若所述最优叶轮结构不满足振动要求，执行步骤603。

其中，所述振动要求可以为所述振动频率的设计要求，所述振动要求可以由用户根据所述叶轮的具体应用环境而设置。

步骤602：所述最优叶轮作为优化结构。

步骤603：选择次优级叶轮结构作为最优叶轮结构。在选择所述次优级的叶轮结构作为所述最优叶轮后，再次执行上述的模态振动校验步骤600。

通过上述步骤，能够对优化设计后的所述叶轮进行模态振动的分析，从而提高所述叶轮模态振动的可靠性。

综上所述，本发明实施例提供的方法通过建立模型，以所述叶轮的重量值最轻为目标，以所述叶轮的应力值和变形值的设计要求为约束条件，采用优化算法对所述叶轮的结构进行了轻量化设计，在实现了叶轮轻量化的同时，也提供了应力和变形的约束条件，为叶轮的轻量化和优化提高了一种有效且可靠的设计方法。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，笔记本电脑,服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叶轮的设计方法，其特征在于，包括：

根据叶轮的初始结构建立所述叶轮的初始模型；

分析所述初始模型，得到所述叶轮的应力值、变形值以及重量值；

以所述重量值最轻为目标，以所述应力值和所述变形值满足所述叶轮的设计要求为约束条件，采用优化算法对所述叶轮进行优化，得到轻量化的叶轮结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在分析所述初始模型，得到所述叶轮的应力值、变形值以及重量值后，所述方法还包括：

计算所述叶轮上的不同结构参数的应力值影响系数、变形值影响系数以及重量值影响系数；

筛选出所述应力值影响系数、所述变形值影响系数以及所述重量值影响系数大于影响系数阈值的所述叶轮上的需要优化的结构参数；所述采用优化算法对所述叶轮进行优化包括：

采用优化算法对所述需要优化的结构参数进行优化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述叶轮上的不同结构的应力值影响系数、变形值影响系数以及重量值影响系数的步骤包括：

设置所述叶轮结构参数的取值范围和计算次数；

根据所述取值范围和计算次数改变所述叶轮结构参数的值，得到所述应力值影响系数、所述变形值影响系数、所述重量值影响系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用优化算法对所述叶轮进行优化，得到轻量化的叶轮结构后，所述方法还包括：

对所述轻量化的叶轮结构中的最优叶轮结构进行模态振动校验，检测所述叶轮在不同模态下振动的频率；

若所述最优叶轮结构的所述频率不满足设计要求，选择次优级的叶轮结构作为优化的叶轮结构；

再次执行上述模态振动校验操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据叶轮的初始结构建立所述叶轮的初始模型后，所述方法还包括：

在所述初始模型中定义所述叶轮的结构参数，所述结构参数包括叶轮背盘尺寸参数；

将定义所述结构参数后的叶轮模型导入静强度分析模块；

采用网格单元对所述叶轮模型进行网格划分。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述静强度分析模块为ANSYS软件；所述网格单元为四面体网格单元。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用优化算法对所述叶轮进行优化，得到轻量化的叶轮结构，包括：

采用优化算法，根据所述目标和所述约束条件设置优化的收敛条件；

判断优化结果是否满足所述收敛条件，若所述优化结果满足所述收敛条件，则确定所述优化结果能够作为轻量化的叶轮结构。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述设置优化的收敛条件包括：

设置所述优化算法的最大计算次数。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述优化算法为单目标遗传算法。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述初始模型包括：

获取所述叶轮的材料屈服强度、所述叶轮在工作状态下的安全系数、所述叶轮的叶顶间隙值；

根据所述材料屈服强度和所述安全系数计算所述叶轮的应力值的设计要求，根据所述叶顶间隙值确定所述叶轮的变形值的设计要求。