航空发动机涡轮冷却叶片多学科设计优化技术研究
【摘要】：多学科设计优化技术(MDO)是针对复杂工程问题的优化提出的一种方法,充分考虑了学科之间的耦合。本文对包含了多种学科影响的航空发动机涡轮叶片设计问题进行了研究,提出了一种涡轮冷却叶片多学科设计优化的方法。
本文主要工作及结论包括:
1. 综述了国内外关于多学科设计优化技术方法的理论及工程应用的现状,对多学科设计优化技术体系做了详细的总结介绍,阐述了多学科设计优化技术体系的定义、组成及实质。
2.针对涡轮叶片多学科设计优化中涉及的多个学科的相关知识做了详细的论述和归纳,建立了各个学科的计算模型。
3.提出了一种涡轮实心叶片及直流冷却叶片的参数化建模方法。采用五次多项式构造叶片型线,在此基础上求解各叶型截面中弧线方程,通过冷却通道在叶片中弧线上的定位,得到直流冷却叶片参数化模型。
4.实现了涡轮叶片气动外形的自动优化,以涡轮等熵效率为优化目标,优化结果表明涡轮效率得到了提高。
5.提出了一种涡轮冷却叶片多学科设计优化的方法。实现了各学科之间的耦合,通过各学科计算软件在优化平台下的集成,采用模拟退火算法和序列二次规划算法相结合,以叶片内部平均温度为优化目标,实现了涡轮直流冷却叶片的自动优化设计,结果显示叶片内部平均温度有所降低,表明了该方法的实效性和有用性。
【关键词】：多学科设计优化 涡轮冷却叶片 参数化建模 气动优化 【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：V232.4
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2006.057440
【目录】：
- 摘要3-5
- Abstract5-9
- 第一章 绪论9-15
- 1.1 选题背景及意义9-10
- 1.2 国内外研究现状10-12
- 1.3 本文研究内容12-15
- 第二章 多学科设计优化技术体系15-27
- 2.1 多学科设计优化技术的定义15-16
- 2.2 多学科设计优化技术的实质与特点16-18
- 2.3 多学科设计优化技术的组成18-26
- 2.3.1 信息科学与技术19-20
- 2.3.2 面向设计的多学科分析20-23
- 2.3.3 多学科设计优化方法与算法23-26
- 2.4 本章小结26-27
- 第三章 冷却叶片多学科优化物理模型的建立27-63
- 3.1 涡轮实心叶片参数化造型设计27-36
- 3.1.1 平面叶栅造型27-33
- 3.1.2 叶片的积叠33-35
- 3.1.3 叶片参数化的程序验证35-36
- 3.2 涡轮直流冷却叶片参数化造型设计36-43
- 3.2.1 涡轮叶片中弧线的计算37-42
- 3.2.2 冷却直流通道模型的建立42-43
- 3.3 气动分析43-47
- 3.3.1 三维气动计算的基本方程43-45
- 3.3.2 涡轮气动计算用的主要公式45-47
- 3.4 强度分析47-50
- 3.4.1 弹性力学基本方程47-48
- 3.4.2 有限元法求解过程48-50
- 3.5 振动分析50-55
- 3.5.1 采用材料力学方法描述的叶片振动51-52
- 3.5.2 采用有限元方法描述的叶片振动52-55
- 3.6 寿命分析55-58
- 3.6.1 基于Manson-Conffin方程的方法56
- 3.6.2 通用斜率法56-57
- 3.6.3 疲劳累积损伤理论57-58
- 3.7 优化算法58-61
- 3.7.1 模拟退火算法58-60
- 3.7.2 序列二次规划算法60-61
- 3.8 本章小结61-63
- 第四章 冷却叶片多学科优化数学模型的建立63-69
- 4.1 设计变量的选取63-65
- 4.1.1 涡轮叶片气动优化变量的选取63-64
- 4.1.2 冷却叶片优化设计变量的选取64-65
- 4.2 目标函数的选取65-66
- 4.2.1 主目标函数法65-66
- 4.2.2 加权求和法66
- 4.3 约束条件的选取66-67
- 4.4 本章小结67-69
- 第五章 涡轮叶片气动优化69-75
- 5.1 优化平台的建立69-70
- 5.2 优化计算与结果70-73
- 5.3 本章小结73-75
- 第六章 直流冷却叶片多学科设计优化75-95
- 6.1 冷却叶片各学科分析75-83
- 6.1.1 流场分析75-78
- 6.1.2 温度场分析78-80
- 6.1.3 强度分析80
- 6.1.4 寿命分析80-81
- 6.1.5 振动分析81-83
- 6.2 冷却叶片多学科设计体系的建立83-86
- 6.3 各数据接口程序与说明86-91
- 6.3.1 温度转换程序86-90
- 6.3.2 其它接口程序说明90-91
- 6.4 优化计算结果与分析91-92
- 6.5 本章小结92-95
- 第七章 全文总结95-97
- 7.1 本文的主要工作和结论95-96
- 7.2 研究展望96-97
- 发表论文情况说明97-99
- 参考文献99-103
- 致谢103-104
- 西北工业大学业学位论文知识产权声明书104
- 西北工业大学学位论文原创性声明104
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