[发明专利]一种新型轴流泵叶轮多学科自动优化设计方法

说明书

一种新型轴流泵叶轮多学科自动优化设计方法，属于水利工程和动力工程技术领域，轴流泵叶轮在水利性能和结构性能两个学科间采用协同优化算法；学科分析方式采用CFD数值模拟计算的学科分析方式，设计精度高，避免了人工凭经验的传统优化方式；采用Piano多学科优化设计软件，建立多学科自动优化设计平台，实现轴流泵的多学科自动优化设计；保证叶片设计工况下设计扬程和设计流量不发生变化，即保证叶轮设计比转速一致；在机械性能方面保证轴流泵最高运行扬程条件下叶片应力值和振动位移较小；在水力性能方面保证轴流泵叶轮具有较宽的高效区范围，同时兼顾水泵的汽蚀性能要求，使得优化设计的叶轮具有较高的设计效率和较轻的叶片质量。

技术领域

本发明属于水利工程和动力工程技术领域,涉及一种轴流泵的优化设计方法,具体的说是涉及一种新型轴流泵叶轮多学科自动优化设计方法。

背景技术

多学科优化设计(MDO)是当前复杂系统优化设计研究中的一个最新、最活跃的领域，其主要应用在航空航天、鱼雷导弹设计等领域，在流体机械领域的研究主要集中在涡轮叶片、风力机叶片优化设计中。目前，随着计算流体力学和计算结构力学的飞速发展，针对轴流泵叶轮分别在水力性能和结构性能的学科领域内进行优化设计的研究较为丰富，且成果较多。然而，这种传统的单学科优化分析方式实际上忽略了水力设计与结构设计间的相互作用和相互影响，没有达到真正的协调设计，对优化设计结果的可靠性和准确性把握不够。轴流泵叶轮优化设计方法还没有能够将水力设计和结构设计完美结合，也就不能很好地适应叶轮优化设计中多学科交叉、联合的新趋势。为了妥善处理轴流泵叶轮优化设计过程中水力设计和结构设计之间的矛盾，以进一步提高叶轮的综合性能，设计需将各学科融合起来，充分考虑学科设计之间的相互作用。

发明内容

本发明的目的是针对传统单学科优化分析方式忽略了水力设计与结构设计间的相互作用和相互影响，没有达到真正的协调设计，对优化设计结果的可靠性和准确性不够，没有将水力设计和结构设计完美结合等不足，提出一种新型轴流泵叶轮多学科自动优化设计方法，通过水力和结构两个学科对轴流泵叶轮提出了多学科自动优化设计方法，进一步提高水泵的综合性能。

本发明的技术方案是：一种新型轴流泵叶轮多学科自动优化设计方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

(1)轴流泵叶轮参数化建模

将轴流泵叶片均分成11个二维的翼型断面进行设计，再将设计好的各断面翼型光滑组合成轴流泵叶轮，叶栅稠密度(l/t)是轴流泵叶片设计的一个重要参数，l：是指翼型断面弦长；t＝2πr/z，其中z是叶片数，r是该翼型断面所在的半径值；叶尖叶栅稠密度是指叶片最外缘的翼型断面的叶栅稠密度值，叶根叶栅稠密度就是轮毂处的翼型断面的叶栅稠密度值，叶根叶栅稠密度倍数是指叶根叶栅稠密度与叶尖叶栅稠密度的比值，中间各断面叶栅稠密度从叶尖到叶根按线性变化，翼型安放角即各断面翼型所在的弦长与水平线之间的夹角，最大拱度比为各断面最大拱度值与弦长的比值，最大厚度比为各断面翼型厚度与弦长的比值；

11个翼型断面就有44个设计参数，在优化时会大大降低叶片优化的效率，需要对这些设计参数进行参数化建模，叶栅稠密度采用等强度设计方法即可将11个断面的叶栅稠密度通过叶尖叶栅稠密度和叶根叶栅稠密度倍数2个设计变量进行参数控制，11个断面的翼型安放角数据通过三阶B样条曲线控制可以将11个变量减小到只需要轮毂、轮缘和中间断面的翼型安放角值即可，11个断面的最大拱度值和最大厚度值从轮毂到轮缘采用线性变化规律，因此每个参数只需要轮毂和轮缘2个控制变量即可，成功的将44个设计变量减少至9个设计变量，参数化建模通过编写Matlab程序实现，只需给定以下9个设计变量，即可得到叶轮11个断面的各设计参数值；

设计变量