基于知識的渦輪葉盤結構快速設計

朱 暢，周俊松，任 軍

北京航空航天大學，北京 100191

0 引言

航空發動機的渦輪設計是一個知識密集型設計過程，涉及到多個部門和眾多學科的專業知識、實踐經驗以及創造性思維的綜合運用。其設計主要分為兩部分：氣動設計和結構設計。總體設計提出對各渦輪部件的設計要求，氣動設計要完成渦輪流道設計并確定氣流參數，結構設計則需要為實現渦輪氣動性能，保證與總體結構和壽命期內可靠工作進行的全部構件設計。

本文集成了渦輪葉盤結構設計過程中的經驗知識，提供一個有效的模型創建和重用環境，以協助設計者重用設計知識，實現渦輪葉盤結構的快速設計。

1 渦輪葉盤結構的快速設計流程

以渦輪氣動設計后的參數為已知條件，根據渦輪葉盤經驗設計和傳統設計流程，建立渦輪葉盤結構的快速設計系統。

整個設計流程分為基于特征的參數化、經驗設計和結構校核優化三個部分。系統采用模塊化設計，每個流程的出口參數為下一個流程的入口參數，氣動設計的參數作為整個系統的入口參數。

2 渦輪葉盤的特征參數化

基于特征的參數化設計的核心思想是以參數約束特征，以特征構成產品模型。該方法綜合運用參數化特征造型的變量幾何法實現特征的構造和編輯。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度、蠕變和疲勞強度并具有高的熱穩定性。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。

根據渦輪盤盤體結構，將渦輪盤盤體分為盤轂、盤緣和輻板三個部分進行特征的提取，各特征的基本參數和確定原則如表1

表1 渦輪盤主特征參數

2.3 輔特征

輔特征是依附于主特征之上的幾何形狀特征，是對主特征的局部修飾，反映零件幾何形狀的細微結構。本文中對樅樹形榫接特征進行了特征參數化分析。

3 基于經驗的渦輪葉盤初步設計

在渦輪葉盤的設計中有很多經驗可循。本文以特征為單元分別建立特征實例庫和設計經驗庫。對一些參數較少的特征，如輪轂、輪緣等特征分別建立特征實例庫，設計中通過查詢載荷條件相似的特征來完成經驗設計。對一些參數較多的特征，如榫接特征，針對每個特征參數建立經驗庫，從而完成特征設計。完成參數組合后流入下一個環節。

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在渦輪葉盤的設計過程中，對一些構造相對簡單的特征建立特征實例庫。在初步設計過程中可以在特征庫中查詢相似的特征，生成所需的結構體。如渦輪盤，可以通過調用輪轂、輪緣和輻板的特征實例庫來生成。

對一些參數比較復雜的特征建立特征參數庫，對每個特征建立參數經驗庫。表2 以榫接特征為例介紹榫接特征參數庫的內容。

表2 榫槽特征參數庫

4 精確設計和優化

本章在ANSYS 平臺上編寫APDL 代碼，以初步設計后的參數為模塊的入口參數，完成對渦輪葉盤的校核和優化，其流程如圖2 所示。

圖2 校核優化流程

4.1 入口參數

入口參數包括氣動設計的渦輪盤載荷參數，初步設計中材料的特征參數和形狀特征參數。

4.2 強度校核

本文以渦輪盤的強度設計準則為要求，進行性能的校核和優化。主要包括：足夠的應力儲備、足夠的低循環疲勞壽命、防止有害變形、防止輪盤破裂、防止輪盤屈曲、有初始裂紋及內部缺陷時應有足夠的裂紋擴展壽命。對于渦輪盤壽命的約束，利用應變-壽命關系曲線(Manson-Coffin 方程)將循環次數轉化為應變約束，同時根據渦輪盤不同區域提出不同的約束要求。

4.3 校核判定

對性能校核的結果進行分析，如果滿足要求則進入優化環節，如果不滿足要求，則分析不滿足要求的原因，并修改特征參數后再次進行性能校核直到滿足要求。

以屈服強度條件為例，相關的規則可表示為（σs0.1 表示材料的0.1%的屈服強度）：

IF 最大離心徑向應力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 結構優化模塊

如果校核判定后符合要求，以渦輪盤體積（體積和質量成正比）為目標函數，以渦輪盤強度設計準則為約束條件進行優化，圖3 為優化前后輪盤模型圖。

圖3 優化前后模型結構對比

優化后盤的重量（體積）比初始值減少了21.75%，有較大的改進，雖然盤體應力和應變都有所增加，但是都在強度準則以內，符合設計要求。優化過程自動完成后，模型中的渦輪盤由上述更新程序自動更新為最優方案。

4.5 完成渦輪葉盤的設計

根據優化后榫接和渦輪盤的參數導入繪制好的UG 參數化驅動平臺，生成所需的渦輪盤。如圖7 所示。

圖4 1/60 的渦輪盤結構示意圖

5 結論

本文根據渦輪葉盤強度的設計流程，通過對渦輪葉盤結構的特征參數化設計和分層描述實現產品的模塊化設計，使得設計流程得以分塊表達；對知識集成模塊的使用和更新可以使設計者從大量的重復性工作中解放出來，從而極大提高設計人員的工作效率。本文針對不同葉盤結構進行不同模塊應用開發，為渦輪盤設計人員定制提供渦輪葉盤的快速設計平臺。

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