基于知識(shí)的渦輪葉盤結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)

朱 暢，周俊松，任 軍

北京航空航天大學(xué)，北京 100191

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪設(shè)計(jì)是一個(gè)知識(shí)密集型設(shè)計(jì)過程，涉及到多個(gè)部門和眾多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及創(chuàng)造性思維的綜合運(yùn)用。其設(shè)計(jì)主要分為兩部分：氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)提出對(duì)各渦輪部件的設(shè)計(jì)要求，氣動(dòng)設(shè)計(jì)要完成渦輪流道設(shè)計(jì)并確定氣流參數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則需要為實(shí)現(xiàn)渦輪氣動(dòng)性能，保證與總體結(jié)構(gòu)和壽命期內(nèi)可靠工作進(jìn)行的全部構(gòu)件設(shè)計(jì)。

本文集成了渦輪葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，提供一個(gè)有效的模型創(chuàng)建和重用環(huán)境，以協(xié)助設(shè)計(jì)者重用設(shè)計(jì)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)渦輪葉盤結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)。

1 渦輪葉盤結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)流程

以渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)后的參數(shù)為已知條件，根據(jù)渦輪葉盤經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，建立渦輪葉盤結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

整個(gè)設(shè)計(jì)流程分為基于特征的參數(shù)化、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)校核優(yōu)化三個(gè)部分。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)流程的出口參數(shù)為下一個(gè)流程的入口參數(shù)，氣動(dòng)設(shè)計(jì)的參數(shù)作為整個(gè)系統(tǒng)的入口參數(shù)。

2 渦輪葉盤的特征參數(shù)化

基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心思想是以參數(shù)約束特征，以特征構(gòu)成產(chǎn)品模型。該方法綜合運(yùn)用參數(shù)化特征造型的變量幾何法實(shí)現(xiàn)特征的構(gòu)造和編輯。本文將渦輪盤的特征分為材料特征和形狀特征，如圖1 所示

圖1 渦輪葉盤特征

2.1 材料特征

本文涉及的材料主要是渦輪盤材料和渦輪葉片材料。渦輪盤材料要求在高溫下有高的持久強(qiáng)度、蠕變和疲勞強(qiáng)度并具有高的熱穩(wěn)定性。常用的是變形高溫合金鋼，如：GH4033 等。

2.2 主特征

主特征是用來構(gòu)造零件的基本幾何形體的。本文研究的主特征主要包括渦輪盤的盤轂、盤緣、輻板以及渦輪葉片的葉身。下面以渦輪盤為例介紹渦輪盤主特征的提取過程。

根據(jù)渦輪盤盤體結(jié)構(gòu)，將渦輪盤盤體分為盤轂、盤緣和輻板三個(gè)部分進(jìn)行特征的提取，各特征的基本參數(shù)和確定原則如表1

表1 渦輪盤主特征參數(shù)

2.3 輔特征

輔特征是依附于主特征之上的幾何形狀特征，是對(duì)主特征的局部修飾，反映零件幾何形狀的細(xì)微結(jié)構(gòu)。本文中對(duì)樅樹形榫接特征進(jìn)行了特征參數(shù)化分析。

3 基于經(jīng)驗(yàn)的渦輪葉盤初步設(shè)計(jì)

在渦輪葉盤的設(shè)計(jì)中有很多經(jīng)驗(yàn)可循。本文以特征為單元分別建立特征實(shí)例庫和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫。對(duì)一些參數(shù)較少的特征，如輪轂、輪緣等特征分別建立特征實(shí)例庫，設(shè)計(jì)中通過查詢載荷條件相似的特征來完成經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)一些參數(shù)較多的特征，如榫接特征，針對(duì)每個(gè)特征參數(shù)建立經(jīng)驗(yàn)庫，從而完成特征設(shè)計(jì)。完成參數(shù)組合后流入下一個(gè)環(huán)節(jié)。

學(xué)困生形成的原因多種多樣，主要表現(xiàn)在：學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)過于功利化，迷戀于對(duì)考分的追逐，不認(rèn)真對(duì)待生物學(xué)科的學(xué)習(xí)，在課堂教學(xué)上心不在焉，敷衍對(duì)待作業(yè)；教師講授方法單一，缺少趣味性，學(xué)生對(duì)生物學(xué)習(xí)失去興趣；教師上課總喜歡提問學(xué)優(yōu)生，而冷落學(xué)困生，使他們討厭老師，對(duì)生物學(xué)科也變得厭惡起來；學(xué)生意志力薄弱，不能抵制外界誘惑，遇到不會(huì)問題時(shí)奉行“拿來主義”，不愿去主動(dòng)思考，嘗試解決問題。

在渦輪葉盤的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)一些構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的特征建立特征實(shí)例庫。在初步設(shè)計(jì)過程中可以在特征庫中查詢相似的特征，生成所需的結(jié)構(gòu)體。如渦輪盤，可以通過調(diào)用輪轂、輪緣和輻板的特征實(shí)例庫來生成。

對(duì)一些參數(shù)比較復(fù)雜的特征建立特征參數(shù)庫，對(duì)每個(gè)特征建立參數(shù)經(jīng)驗(yàn)庫。表2 以榫接特征為例介紹榫接特征參數(shù)庫的內(nèi)容。

表2 榫槽特征參數(shù)庫

4 精確設(shè)計(jì)和優(yōu)化

本章在ANSYS 平臺(tái)上編寫APDL 代碼，以初步設(shè)計(jì)后的參數(shù)為模塊的入口參數(shù)，完成對(duì)渦輪葉盤的校核和優(yōu)化，其流程如圖2 所示。

圖2 校核優(yōu)化流程

4.1 入口參數(shù)

入口參數(shù)包括氣動(dòng)設(shè)計(jì)的渦輪盤載荷參數(shù)，初步設(shè)計(jì)中材料的特征參數(shù)和形狀特征參數(shù)。

4.2 強(qiáng)度校核

本文以渦輪盤的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為要求，進(jìn)行性能的校核和優(yōu)化。主要包括：足夠的應(yīng)力儲(chǔ)備、足夠的低循環(huán)疲勞壽命、防止有害變形、防止輪盤破裂、防止輪盤屈曲、有初始裂紋及內(nèi)部缺陷時(shí)應(yīng)有足夠的裂紋擴(kuò)展壽命。對(duì)于渦輪盤壽命的約束，利用應(yīng)變-壽命關(guān)系曲線(Manson-Coffin 方程)將循環(huán)次數(shù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變約束，同時(shí)根據(jù)渦輪盤不同區(qū)域提出不同的約束要求。

4.3 校核判定

對(duì)性能校核的結(jié)果進(jìn)行分析，如果滿足要求則進(jìn)入優(yōu)化環(huán)節(jié)，如果不滿足要求，則分析不滿足要求的原因，并修改特征參數(shù)后再次進(jìn)行性能校核直到滿足要求。

以屈服強(qiáng)度條件為例，相關(guān)的規(guī)則可表示為（σs0.1 表示材料的0.1%的屈服強(qiáng)度）：

IF 最大離心徑向應(yīng)力σrmax 大于

σs0.1×75%

THEN 減小輪轂厚度H1（1mm）

and 增大輪轂寬度W1（1mm）

4.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊

如果校核判定后符合要求，以渦輪盤體積（體積和質(zhì)量成正比）為目標(biāo)函數(shù)，以渦輪盤強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為約束條件進(jìn)行優(yōu)化，圖3 為優(yōu)化前后輪盤模型圖。

圖3 優(yōu)化前后模型結(jié)構(gòu)對(duì)比

優(yōu)化后盤的重量（體積）比初始值減少了21.75%，有較大的改進(jìn)，雖然盤體應(yīng)力和應(yīng)變都有所增加，但是都在強(qiáng)度準(zhǔn)則以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化過程自動(dòng)完成后，模型中的渦輪盤由上述更新程序自動(dòng)更新為最優(yōu)方案。

4.5 完成渦輪葉盤的設(shè)計(jì)

根據(jù)優(yōu)化后榫接和渦輪盤的參數(shù)導(dǎo)入繪制好的UG 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，生成所需的渦輪盤。如圖7 所示。

圖4 1/60 的渦輪盤結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

本文根據(jù)渦輪葉盤強(qiáng)度的設(shè)計(jì)流程，通過對(duì)渦輪葉盤結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)化設(shè)計(jì)和分層描述實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)流程得以分塊表達(dá)；對(duì)知識(shí)集成模塊的使用和更新可以使設(shè)計(jì)者從大量的重復(fù)性工作中解放出來，從而極大提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。本文針對(duì)不同葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同模塊應(yīng)用開發(fā)，為渦輪盤設(shè)計(jì)人員定制提供渦輪葉盤的快速設(shè)計(jì)平臺(tái)。

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