[发明专利]计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法

权利要求书

1.一种计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对原始叶片进行参数化处理：提取各截面翼型的弦长、中弧线、前缘与尾缘的半径和安装角，再分别定义构叶片弯、扭和掠的形变方向及大小，完成叶片的三维造型设计；

步骤二：利用拉丁超立方采样，跟据叶片设计变量的数量生成满足精度要求的实验样本；

步骤三：分别建立单通道流场模型、全通道流场模型、单个叶片模型及整体叶盘模型，相应地得到：单通道流场网格、全通道流场网格、叶片有限元网格、整体叶盘有限元网格；

步骤四：利用步骤三得到的单通道流场网格计算气动性能、压比η和效率π，并将叶片表面压力以文件形式输出；将来自单通道流场网格计算到的叶片压力插值到叶片有限元网格中作为叶片所受气动力，将由叶片旋转产生的离心力和气动力作为预应力进行静力学分析，得到叶片的静应力σ_s；

步骤五：在静力学分析的基础上进行单个叶片的模态分析，得到叶片质量归一化的模态振型最大振幅x_fem和固有频率f₀；

步骤六：将步骤五中得到的模态振型插值到全通道流场网格，采用动网格的方式进行叶片振动模拟，得到叶片所受到的非定常气动力；

步骤七：根据模态力定义，将步骤六得到的非定常气动力投影到全通道流场模型的叶片有限元网格中的模态坐标得到模态力Q，根据模态力构建影响系数矩阵C，然后采用特征值法求得谐调状态下的气动阻尼ζ并取最小气动阻尼ζ_min为优化目标；

步骤八：根据步骤三建立的整体叶盘模型，进行模态分析计算得到叶盘各模态簇的固有频率与节径的关系；将步骤六得到的模态力与叶盘固有频率及其对应的节径导入基础失谐模型中，得到谐调状态下的强迫振动响应；

步骤九：利用蒙特卡洛法，生成1000组服从正态分布的具有相同失谐量但不同形式的随机失谐方案并利用基础失谐模型分别按步骤一～步骤八计算每个叶片设计在1000组随机失谐的强迫振动响应；采用统计的方法得到叶片归一化振动幅值的正态分布概率密度函数；以其中位置参数μ、尺度参数σ作为优化目标；

步骤十：根据步骤二中生成的实验样本，经步骤七和九的计算得到的对应的目标函数ζ_min，μ和σ，采用响应面法分别构建叶片设计变量v₁，v₂，v₃，…，v_n与每个优化目标的关系：ζ_min＝f(v₁，v₂，v₃，…，v_n)，μ＝g(v₁，v₂，v₃，…，v_n)，σ＝h(v₁，v₂，v₃，…，v_n)；

步骤十一：在约束条件下，采用多目标优化算法，得到帕累托前沿，并选择若干预测的帕累托解，即预测的较优的叶片设计；

步骤十二：重复步骤三到步骤九，计算若干预测的叶片设计的效率、压比、静应力、最小气动阻尼和正态分布的位置参数和尺度参数；

步骤十三：验证若干预测的叶片设计是否某个设计满足约束条件及优化目标；当满足约束条件及优化目标，则输出优化后叶片的参数，气动性能，静应力，颤振分析结果及强迫振动分析结果；否则将预测的设计带入到响应面模型中，重新生成新的响应面模型然后再采用多目标优化算法预测的更新叶片设计，重复步骤三到十三。

2.根据权利要求1所述的计入随机失谐的叶轮机械气动弹性优化设计实现方法，其特征是，步骤四包括：

4.1)将步骤三中的单通道流场网格导入CFX-pre，分析类型选择稳态求解，湍流模型为K-Epsilon，入口给定总温总压，出口给定质量流量，求得气动性能、压比η、效率π，并输出叶片表面压力文件；

4.2)为了保证在一定范围内具有较好的气动性能，选取3个工况点进行计算，即：OP1靠近堵塞点，OP3靠近最高效率点，OP2介于两者之间；

4.3)采用自定义Matlab函数驱动Static Structural模块自动设置材料属性，定义边界条件，转子转速，并将OP3的叶片压力插值到叶片表面，作为叶片所受气动力，进行静力学分析，得到叶片的静应力σ_s。