基于流固耦合的壓氣機葉片拓撲優化研究*

羅慶怡，梅 琦，胡曉兵，李何鈺秋

(1.四川大學機械工程學院，成都 610065；2.宜賓四川大學產業技術研究院，宜賓 644000)

0 引言

離心式壓氣機因其體積小、單級增壓比高等優點被廣泛運用于航空發動機、船舶燃氣輪機等[1]。壓氣機葉片在高轉速工況下不僅受到氣流載荷和離心力，同時還要承受氣動載荷與其力耦合作用下的振動載荷，進而發生不同程度的顫振現象，導致葉片產生疲勞破壞甚至斷裂，嚴重影響壓氣機的工作性能[2]。因此，對壓氣機葉片在各種場耦合作用下的應變及動頻研究及優化顯得格外重要。

SUBRAMANI等[3]采用了有限元法對葉輪進行應力仿真，結果表明隨著旋轉速度越高，離心力作用越明顯，應力越大，葉輪背面所受應力較大。張磊等[4]總結了流固耦合的基本理論及控制方程，對葉輪機械流固耦合問題進行了研究，完整介紹了流固耦合理論體系。王征等[5]基于計算流體力學與計算結構力學的耦合算法研究了壓氣機葉片的流固耦合特性及顫振特性，為壓氣機穩定性的判定提供重要依據。李存程等[2]以整體式軸流壓氣機葉片為對象，采用流固耦合方法求解得到葉片壓力、應變及模態，并對葉片前緣和尾緣采用變半徑設計，有效提高了固有頻率并同時削減了振動。王佳利等[6]以壓氣機為對象，通過改變葉片出口段沿旋轉的方向的傾斜角度改善了葉輪內流動情況并改善了葉片壓力分布。張敏等[7]總結歸納了流體拓撲優化的數學模型、流動控制方程及求解方法，對比傳統形狀與尺寸設計得到流體拓撲優化一系列的優良特性，為拓撲優化這種優化方式在葉輪機械中的運用打下了基礎。……