Abaqus-涡轮叶片燕尾槽几何形状的优化

图1.在FEA中完成扇叶网格划分

在本研究中，采用Abaqus与Isight联合进行优化仿真设计，可最大程度地减小叶片燕尾区域的接触压力和应力。首先，进行了实验设计（DOE）分析识别最关键的变量，然后更全面地探索和优化了这些变量。

为了构建用于分析的有限元模型（图1），使用翼型空气动力学设计优化软件包Eblade创建了涡轮叶片翼型的几何形状。将描述叶片的3D翼型形状的坐标数据点导入到Abaqus/ CAE中，该坐标数据点还用于构造其余零件（罩，平台和磁盘）的几何形状。

此研究仅考虑了离心载荷，施加循环对称条件，并且将圆盘的底部保持固定。采用非线性静态程序用于应力分析，FEA模型的构建是自动化的，以便对几何尺寸进行参数化，并在优化过程中随着几何形状的变化应用接触条件和边界条件。

选择九个设计变量（DVs）描述燕尾榫的初始横截面形状，以演示典型的参数化方法并研究优化过程。在分析的第一阶段，优化软件使用所有九个变量来执行DOE，DOE对设计空间进行采样，并创建叶片对燕尾榫周围压力和应力响应的近似表示。近似值是通过在指定范围内对设计变量进行采样而获得的一组有限元结果计算得出的。DOE运行生成的燕尾榫的各种几何形状用于构建近似模型。

图2. Mises应力（顶部）和接触压力（底部）Abaqus FEA（从左至右）

原设计与优化设计的结果

一旦创建了近似模型，就可以使用各种不同的分析方法对燕尾榫的接触压力和米塞斯应力进行优化分析。该优化软件还提供了用于评估不同近似模型的各个设计变量的敏感性的工具（图2）。

对于第二级优化（其中更全面地研究了目标变量），将四个变量的值（在第一级优化中的各种方法之间变化不大）视为常量，将其他值（从第一级的最佳方法获得）级分析）被选为其他设计变量的起点。修改了分析选项，以获得约100次设计迭代。

研究表明，与使用所有设计变量的单级优化相比，结合使用设计过程自动化和FEA的两级优化方法为涡轮机燕尾榫提供了更可靠的设计。通过最初使用近似模型探索设计空间，首先确定了主要的设计变量。然后，第二级优化能够专注于较少数量的参数，从而提高优化效率。