基于MDO体系的涡轮叶片热-结构耦合分析

在涡轮叶片参数化建模和气动分析基础上,开发了三维坐标插值程序,实现了学科间载荷信息传递;基于经验准则公式,开发了换热系数计算程序;在研究ANSYS软件参数化设计语言的基础上,利用插值及换热程序输出APDL参数化加载宏文件,实现了边界条件的精确加载;基于ANSYS软件APDL命令流,设计了涡轮叶片热分析模块及热-结构耦合分析模块,为建立涡轮叶片MDO体系奠定了基础。     

基于网格变形技术的涡轮叶片变形传递

为实现学科耦合,需要在涡轮叶片多学科设计优化的气动模型和结构模型之间传递温度、气压和变形等载荷.研究结构变形向气动网格传递的实现方法.参数空间插值方法解决耦合面网格不一致时的变形插值问题;网格变形技术用来调整气动网格内部节点的位置,保证变形传递后的网格质量.某涡轮叶片变形传递实例的表明:该方法能够用于多学科设计优化问题中的变形传递.      

结构自动离散的一种新方法

本文采用等参元素中的几何插值方法,以少量的输入数据,自动生成全部元素的节点坐标;采用“棋盘”网格,使元素和节点的编号简单易行;同时,采用“波前法”解方程组,使编号的程序简化。 本方法具有输入数据少,改变网格容易,边界节点坐标足够准确等优点,已用于轴对称体二维网格及透平叶片的三维网格,结果满意。     

精铸空心涡轮叶片模具虚拟修模方法

针对精铸空心涡轮叶片的精确控形问题,开展模具型腔优化设计中的虚拟修模技术研究.以某型号空心涡轮叶片为研究对象,采用数值模拟的方法,通过使用ProCAST软件对有限元模型进行计算,获得空心涡轮叶片的精铸位移场,基于位移场的反变形虚拟修模方法对模具型腔进行优化设计.经修模后的模具型腔仿真验证及模具型腔型号鉴定,结果表明,按...     

有限差分法的坐标变换诱导误差

有限差分法应用于具有复杂外形的网格时需要进行坐标变换,在此过程中经常会引入坐标变换诱导误差。在柱坐标系下使用均匀网格进行均匀流场计算,计算结果表明,即使物理坐标对计算坐标的变换函数连续可导、计算过程中坐标变换系数直接采用准确的解析式、网格完全正交并且充分光滑,也无法避免坐标变换诱导误差。理论分析表明,产生坐标变换诱导误差的机理是笛卡尔坐标系下的守恒型欧拉方程变换至贴体坐标系下后增加了源项。针对该问题,目前国内外学者通常采用几何守恒律,构建与差分格式相匹配的坐标变换系数计算方法来消除源项。本文介绍了从包含源项的离散等价方程基础上直接进行离散的新算法,在此基础上针对非等距网格条件下MUSCL类格式重构过程进行误差分析,理论推导表明重构中需要考虑非等距插值公式的影响系数,将变量转换至计算空间内进行MUSCL重构才能保证该过程具有均匀网格下的插值精度。通过理论分析及数值实验证明新算法对于均匀流场完全不会引入坐标变换误差。     

落压比对航空发动机涡轮叶片流量特性的影响

为了探明落压比对航空发动机涡轮叶片流量特性的影响,对试验坐标压比选择和气膜孔分布2个主要影响因素进行了 研究。忽略燃气及冷却空气温度的影响,依据涡轮叶片气膜孔出口静压将其分为3类。当涡轮叶片气膜孔以第1类或第2类为主 时,通过试验坐标压比的选择消除落压比对流量特性的影响;当涡轮叶片气膜孔以第3类或复合型为主时,利用2个不同落压比下 的流量特性,采用影响因子分析法可以获得任意落压比下的流量特性关系式。选用某型涡轮导向叶片进行不同落压比下的流量 特性试验,结果表明：理论分析结果与试验结果相差3%,二者具有较好的一致性。     

涡轮机械叶片的流固耦合数值计算方法

发展了一种流固弱耦合数值方法来判断涡轮机械叶片气弹稳定性.通过一种数据交换方法将计算结构动力学(CSD)的节点振动位移施加到计算流体力学(CFD)的叶片表面网格点上,CFD分析采用多层动网格技术实时更新可动域的网格点坐标,并通过有限体积法求解了用k-ε湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计状态下,对比了叶片前4阶模态下一个振动周期内的气动功及模态气动阻尼比,初步分析了叶片的气弹稳定性.计算结果表明:所发展的流固弱耦合数值方法用于判断涡轮机械叶片气弹稳定性是可行的.      

变壁厚气冷涡轮叶片结构参数化设计方法

叶片叶身截面内腔型线的光滑过渡是航空发动机变壁厚涡轮叶片结构设计的关键.为解决变壁厚插值在最大壁厚点处出现拐点而导致过渡不光滑的问题,提出变壁厚叶片结构设计方法即变壁厚抛物线插值法.该方法基于管道相交投影线拟合中弧线法,利用壁厚系数及其对应关系控制壁厚,实现变壁厚涡轮叶片结构参数化设计.设计实例结果表明:应用变壁厚抛物线插值法对不同壁厚气冷涡轮叶片进行结构设计,叶身截面内腔型线光滑,在最大壁厚点处不会出现拐点过渡.     

基于特征分解及模板库的涡轮叶片分模方法研究

为实现复杂涡轮叶片外形模具分模自动化,提出了一种基于特征分解及模板库的涡轮叶片分模方法.该方法运用离散和集成的思想,采用自动特征识别和人机交互特征识别的方式提取型腔体模型分解特征,将涡轮叶片的核心包络块分解为简单特征体,然后针对每个简单特征体,采用基于模板库的分模方法实现自动分模,从而有效地提高了涡轮叶片外形模具的设计...     

涡轮叶片精铸模具知识模板构建及应用

为了缩短涡轮叶片精铸模具的设计周期,本文通过研究知识模板的组织结构和实现方法,提出了一种基于知识模板的产品快速设计方法.通过提取和总结涡轮精铸叶片模具设计过程中的相关知识和参数化设计规则,建立了模具外围机构的知识模板,并通过实例验证了基于知识模板的设计的有效性和实用性.     

正交各向异性材料、异型孔气冷叶片三维弹性应力分析

本文介绍了正交各向异性材料、异型孔气冷叶片三维弹性应力分析的计算方法, 并给出了一个真实的气冷涡轮叶片的计算结果及分析。为了适应气冷涡轮叶片内型孔复杂, 材料为定向凝固结晶和内外壁温度差比较大的特点, 文中采用分段线性和非线性的假设划分单元, 形成几何模型和力学模型, 采用坐标变换法建立单元的弹性矩阵, 并且采用分段线性插值法考虑温度对材料特性的影响。本文对方法和程序的正确性进行了验证, 而且将这种方法和程序应用到工程设计中。实践证明, 方法和程序可靠, 精度满足工程上的要求。      

旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究

为了细致捕捉直升机旋翼桨尖涡的生成和演化过程,建立了一个基于高精度网格和高阶通量计算格式的旋翼桨尖涡计算流体力学(CFD)求解方法。在该方法中,流场求解选取旋转坐标系下的Navier-Stokes方程为控制方程;空间离散采用迎风Roe格式,并采用低耗散的5阶WENO(Weighted Essentially Non-Osciltatory)格式进行对流通量的计算;时间推进则采用双时间法,在伪时间步上使用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)推进格式;应用嵌套网格方法实现桨叶网格和背景网格的数据交换。应用所建立的方法对悬停状态的旋翼桨尖涡流场进行了高精度模拟,在桨叶网格上精细地捕捉到了桨尖涡的具体生成过程,在背景网格上捕捉到了更多圈数的桨尖涡尾迹,并对桨尖涡的演化机理进行了深入研究。结果表明:建立的高精度数值方法能够有效地对旋翼桨尖涡的生成和演化过程进行细致模拟;悬停状态下旋翼桨尖气流在上下表面压力梯度的作用下经历了边界层增厚、逐渐卷起形成涡核以及最终脱离桨叶形成桨尖涡的过程。     

压气机叶片排中三维流场计算的多网格法

以三维有限差分形式的MacCormack格式为基础, 对相对圆柱坐标系下弱守恒型控制方程, 导出了残差在粗、细网格上的传播与回插公式, 形成了一种多网格算法。计算表明, 这种算法大幅度地提高了计算收敛速度, 而且方法本身简便易行。      

柱坐标系下叶片曲面造型方法的研究

由于叶片在沿叶高方向上截面内的截线不是单值函数,所以需要用参数样条的方式构造整个叶片曲面。在分析叶片沿叶高方向上截面数据的基础上,本文将笛卡儿坐标系下的截面数据转换到柱坐标系下,并以极角和叶高为参数构造了双三次插值B样条曲面。     

基于网格重生成的涡轮叶片变形传递方法

在涡轮叶片多学科优化中需要在气动模型和结构模型之间进行耦合信息(气压、温度和变形等数据)传递,来考虑学科耦合的性质.采用修正几何外形和网格重生成的方法实现了叶片结构变形向气动模型传递.传递时在叶片几何模型上增加若干外形控制线,叶片的外形由这些控制线的形状来决定.根据叶片结构变形,调整控制线节点位置坐标,以修改叶片外形控制线的形状,可以实现变形向叶片几何模型的传递.进一步,重新生成气动网格,可以得到结构变形后叶片的气动网格模型.      

前飞状态倾转旋翼机气弹稳定性建模

基于刚性桨叶、刚体短舱及弹性机翼的假设,计入桨叶的变距/挥舞/摆振结构耦合及变距与万向铰的耦合,分别在惯性系下采用牛顿法和有限元法建立了旋翼和机翼的动力学方程,通过桨毂与短舱/机翼系统之间的共有自由度将动力学方程耦合起来,得到了前飞状态下全铰接式倾转旋翼/短舱/机翼耦合系统气弹稳定性分析模型,气动模型采用改进的叶素-动量理论,计入了扰动引起的非定常气动力影响.通过算例验证了建模的正确性.      

Development of a coupled supersonic inlet-fan Navier–Stokes simulation method

A coupled supersonic inlet-fan Navier–Stokes simulation method was developed by using COMSOL-CFD code. The flow turning, pressure rise and loss effects across blade rows of the fan and the inlet-fan interactions were taken into account as source terms of the governing equations without a blade geometry by a body force model. In this model, viscous effects in blade passages can also be calculated directly, which include the exchange of momentum between fluids and detailed viscous flow close to walls. NASA Rotor 37 compressor test rig was used to validate the ability of the body force model to estimate the real performance of blade rows. Calculated pressure ratio characteristics and the distribution of the total pressure, total temperature, and swirl angle in the span direction agreed well with experimental and numerical data. It is shown that the body force model is a promising approach for predicting the flow field of the turbomachinery. Then, coupled axisymmetric mixed compression supersonic inlet-fan simulations were conducted at Mach number 2.8 operating conditions. The analysis includes coupled steady-state performance, and effects of the fan on the inlet. The results indicate that the coupled simulation method is capable of simulating behavior of the supersonic inlet-fan system.     

打磨机操作臂的轨迹规划与仿真

提出了笛卡尔空间大步距插值与关节空间改进的三次样条小步距插值相结合的方法,对打磨机进行了轨迹规划。利用关节空间改进的三次样条插值,消除了启动和停止时的加速度突变。并且通过SimMechanics工具箱建立模型,验证了轨迹规划方法的正确性和有效性,为操作臂的伺服控制提供理论基础。