涡轮叶片载荷分解

为解决涡轮叶片多学科设计优化过程中的解耦问题,将多学科可行解耦方法应用于涡轮叶片气动、传热及结构三学科的解耦。将气动、传热分析载荷下的叶片变形作为解耦循环结束与否的判断标准;解耦循环中的关键步骤———学科间的载荷传递及变形传递分别用单元内线性插值法及自由网格变形技术实现。

多学科设计优化(MDO)是针对有多个相互影响 学科系统的设计问题提出的优化方法。在涡轮叶片的性能分析过程中,气流场在叶片表面产生的气动压力使叶片结构产生变形;叶片周围的气流场温度决定了叶片的温度分布,而温度分布是叶片自身应力水平及变形的重要影响因素;同时,叶片的结构变形反过来又改变了整个气流场的气动分布。因此,涡轮叶片气动、传热及结构三学科之间的相互耦合决定了在其设计优化中必须引入多学科设计优化方法。目前已有的多学科可行(MDF)、单学科可行(IDF)、协作优化(CO)、协作子空间优化(CSSO)及双层系统综合(BLISS)等方法均可用于解决此类气、热、固耦合问题。多学科可行解耦方法作为一种比较传统的方法,在准确性、稳定性、可操作性以及理论的完备性等方面均优于其它方法。它所涉及的技术难点是学科解耦时各学科模型之间耦合信息的传递,即载荷传递及变形传递。近年来,国外对这方面 问题进行了大量的研究,产生了诸多学科间信息数据传递的方法,并成功地应用于诸如民用运输机、商用喷气机以及汽车前维护挡板等一系列优化设计问题中;而国内对多学科设计优化问题中学科间解耦及信息数据传递方法等问题的研究还相对较少。本文将多学科可行解耦方法应用于涡轮叶片多学科设计优化中气、热、固三学科的解耦过程,分别采用单元内线性插值法及自由网格变形技术解决学科模型间耦合信息的传递。

多学科可行解耦方法也称完全集成(FullyInte2 gratedOptimization,FIO)方法。它是在每个优化循环中综合考虑各学科间耦合信息的传递,用解耦系统以外的优化器对整个学科分析系统寻找最优的全局变量z和局部变量x。此过程获得的是整个多学科设计分析系统的可行解。在多学科设计分析的学科分析过程中,通常是根据一组给定的输入变量x,z以及已知的耦合状态采用可变学科分析间的Gauss2Seidel迭代方法求出各学科状态变量y。这里为传热及结构分析创建共用模型作为温度及气压载荷传递的统一对象,在载荷传递后进行传热及结构的顺序耦合分析。重复的进行模型间载荷及变形信息的传递,即构成了涡轮叶片的多学科可行解耦循环系统。将每个信息传递循环所得叶片变形结果作为判断学科解耦是否完成的依据。若变形结果满足设定收敛标准,则三学科解耦完成;否则,则需将变形继续传递至叶片气动模型,继续解耦循环。以三维叶片积迭建模的相关参数为依据(如图2所示),取叶片顶端截面变形前后设计参数变化量的绝对值之和为收敛标准.

由于目前用于学科分析的各种数值计算方法均是以单元及节点为基础构建模型的,所以学科之间的信息传递是通过耦合学科交界面网格节点之间的关系来实现的。因此,涡轮叶片的多学科可行解耦循环中学科间耦合信息的传递有两个内容:

(a)气动分析所得模型交界面上各节点的载荷结果向传热及结构共用模型相应各节点进行传递,这里包括温度及压强;

(b)传热及结构分析后,叶片变形结果向气动模型进行传递。

载荷传递时,对于交界面上网格节点一一对应的学科模型,通过节点之间的对应关系就可以直接进行载荷信息的传递;但对于涡轮叶片的两分析模型交界面,就需要通过一定的转化方法来实现信息的传递---单元内线性插值法

与载荷传递不同,变形传递必须考虑到模型内部网格节点的移动、变形后模型网格的重生成以及网格是否发生畸变等一系列问题。自由网格变形技术很好的解决了这些问题。它是将已生成的网格模型或模型欲变形部分镶嵌于一个可变形的外轮廓弹性体中,通过改变外轮廓弹性体的形状,控制镶嵌于其中的网格模型节点的移动,从而产生网格模型的变形。