[发明专利]一种基于CPU+GPU异构并行计算的透平机械叶片固有频率特性分析方法

摘要

本发明提供了一种基于CPU+GPU异构并行计算的透平机械叶片固有频率特性分析方法，先按照待分析的透平机械叶片的三维模型和材料参数建立有限元模型，对叶片进行预应力分析；其次进行叶片网格数据预处理，在CPU和GPU上同时计算单元的刚度矩阵和质量矩阵，并组装为叶片的总刚度和质量矩阵；再对叶片和轮缘的约束条件进行设置，包括边界的刚性和弹性位移约束，叶根‑轮缘或连接件的接触耦合，修正总刚度矩阵；然后用CPU+GPU异构并行算法提取总刚度和质量矩阵的广义特征值和特征向量；之后将特征值和特征向量转化为叶片的频率以及振型并输出；最后判断固有振型的振动类型，据此绘制叶片的频率曲线分布，振动安全图或坎贝尔图。

主权项

1.一种基于CPU+GPU异构并行计算的透平机械叶片固有频率特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)叶片预应力分析：按照待分析的透平机械叶片的三维模型和材料参数，建立透平机械叶片的有限元模型，对透平机械叶片进行预应力分析，提取透平机械叶片结构的整体预应力场，同时，若透平机械叶片上带有连接件，则计算连接件接触部分的接触刚度，并存储获得的预应力场数据以及接触刚度的计算结果；2)叶片数据预处理：根据步骤1)建立的有限元模型在CPU和GPU上并行计算，得到透平机械叶片中各单元的初始刚度矩阵{K0}和质量矩阵{M}，利用透平机械叶片的转速数据以及步骤1)获得的预应力场数据，对透平机械叶片有限元模型的各个单元进行修正，获得考虑旋转软化和预应力效应的各单元的实际刚度修正矩阵{K}，并由CPU将各单元的实际刚度修正矩阵{K}组装为总体刚度矩阵[K]，将各单元的质量矩阵{M}组装为总体质量矩阵[M]；3)叶片整体结构约束条件处理：首先按照透平机械叶片的结构特点对该叶片的轮缘或叶根部分进行边界位移约束，然后进行叶根和轮缘的接触边界耦合，同时，对于带有连接件的透平机械叶片，按照步骤1)获得的连接件接触部分的接触刚度进行连接件间的接触耦合，对步骤2)获得的总体刚度矩阵[K]和总体质量矩阵[M]进行修正；4)广义特征值和特征向量的提取：采用CPU+GPU异构并行计算，对步骤3)修正后的透平机械叶片的总体刚度矩阵和总体质量矩阵进行广义特征值λ和特征向量{φ}的提取；5)叶片固有频率/固有振型输出：将步骤4)获得的广义特征值λ转化为透平机械叶片的固有频率f，将获得的特征向量{φ}转化为透平机械叶片的固有振型，绘制透平机械叶片的固有振型云图；6)绘制叶片振动安全图或坎贝尔图：根据步骤5)中固有振型云图的结果，判断透平机械叶片固有振型的振动类型，对于自由透平机械叶片绘制其频率分布曲线，对于带有连接件的透平机械叶片绘制其振动安全图，对于多转速下的振型结果，按照不同转速的固有频率绘制透平机械叶片振动的坎贝尔图，完成对透平机械叶片固有频率的特性分析。