[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

说明书

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，基于影响系数法的颤振计算、基础失谐模型和蒙特卡洛法的强迫振动分析，在约束气动性能以及静应力的前提下，使工业加工的叶片在不同的安装方式下具有相似的振动特性；显著提升了颤振稳定性并降低了在随机失谐的情况下叶片强迫振动响应，本方法对于选取的轴流风扇叶片，在约束气动性能和静应力的前提下，其最小的气动阻尼增加了约19％和随机失谐下最大的强迫振动幅值降低了约18％。

技术领域

本发明涉及的是一种航空发动机制造领域的技术，具体是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。

背景技术

叶片作为叶轮机械中的做功部件，旋转中的叶片受到各种载荷(如旋转产生的离心力，上游静叶/导叶尾迹产生的非稳态气动力等等)，不仅会影响气动性能还会引起叶片振动问题。因此，为了保证高效且安全的运行要求，叶片的设计必须兼顾气动及结构性能。

叶片和流体的相互作用而导致的气动弹性振动会导致叶片疲劳失效，其中最常见的两种气动弹性现象是：1.颤振；2.强迫振动。颤振是一种自激现象，叶片不断地从流场中吸收能量，导致叶片振动幅值不断放大；强迫振动是由于外界激励而导致叶片振动，振动的频率通常与转速频率成整数倍关系。这两种振动形式都会使叶片所受应力增加，在有限个振动周期内造成叶片疲劳失效：轻则叶片产生裂纹，重则叶片断裂，造成严重事故。通常叶片受到的应力大小与其振动的振幅成正比。叶片振动的幅值除了与材料属性，激励的大小，摩擦阻尼等因素相关之外，制造加工误差也能对其产生较大的影响。

发明内容

本发明针对现有技术的空白，提出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，基于影响系数法的颤振计算、基础失谐模型和蒙特卡洛法的强迫振动分析，在约束气动性能以及静应力的前提下，显著提升了颤振稳定性并降低了在随机失谐的情况下叶片强迫振动响应，为叶片设计提供了一个新途径，适用于轴流及离心式叶轮机械，具有良好的实用价值和广阔的应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及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，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；

由于采用的是基于线性假设的影响系数法，所以只需要一个叶片振动即可，叶片振动的幅值(x_cfd)一般小于叶尖弦长的1％；叶片振动频率为其固有频率，计算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。