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旋转机叶片反问题设计的计算方法

阅读:635发布:2021-04-14

专利汇可以提供旋转机叶片反问题设计的计算方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 旋转机 械 叶片 反问题设计的计算方法,包括以下步骤:基于有限元法计算叶片在 流体 力 和 离心力 作用下叶片所有 节点 的位移情况,计算流固耦合位移值,并将上一步的流固耦合位移结果作为下一步预 变形 的反向增量,然后重生成有限元节点和单元,再次进行流固耦合计算,如此循环,当最近一次流固耦合计算位移结果与热态叶型吻合,即得出满足要求的有限元模型,再通过逆向 软件 将有限元模型转换为 几何模型 。本发明提出的计算方法,简单易懂,切实可行,操作简单,思路清晰,并且计算效率和 精度 高,残差 稳定性 好,计算结果符合实际。,下面是旋转机叶片反问题设计的计算方法专利的具体信息内容。

1.旋转机叶片反问题设计的计算方法,其特征在于,包括以下步骤:基于有限元法计算叶片在流体离心力作用下叶片所有节点的位移情况,通过对初始模型的所有节点反向施加上一步流固耦合分析所得的节点的位移值,并且对节点和单元进行重新生成,形成有限元模型;然后再次施加流体力和离心力载荷,获取其模型变形之后所有节点的坐标,并比较当前节点坐标与初始气动分析最优模型的节点坐标的差值,如满足残差条件,则跳出循环并输出有限元模型,再通过逆向软件生成用于加工制造的几何模型,如不满足残差条件,则继续施加最近一步流固耦合分析的节点的位移值,直至寻找到满足条件的有限元模型。
2.根据权利要求1所述的旋转机械叶片反问题设计的计算方法,其特征在于,所述节点的位移值(X、Y、Z三个方向)需分别乘以三个方向的系数(松弛因子),以保证叶片单次反扭量不至于过大,从而保证叶片反问题设计的收敛稳定性
3.根据权利要求1所述的旋转机械叶片反问题设计的计算方法,其特征在于,具体操作流程包括以下步骤:
步骤1,输入需要反扭设计的模型,建立计算流体分析(CFD)的计算域,设置边界条件,设置残差条件,定常计算,得出叶片周围稳定时刻的流场分布,压力分布;
步骤2,写出叶片表面(流固耦合面)上的压力数据,数据格式分四列,分别为X坐标值、Y坐标值、Z坐标值和压力;
步骤3,输入需要反扭设计的模型,载入步骤2的压力载荷,设置有限元分析(FEA)的边界条件,并激活大变形,保证每次迭代计算都更新有限元模型的刚度
步骤4,获取模型变形之后的节点位移值,并保存在数据表中;
步骤5,对需要反扭设计的初始模型上所有节点坐标值和变形之后节点坐标值进行比较,当满足残差条件,即跳出循环;
步骤6,如不满足残差条件,则利用步骤4中的节点位移值,乘以三个方向的系数(松弛因子),得出更新之后的节点坐标值;
步骤7,根据步骤6得出的更新之后的节点坐标值,重生成网格;
步骤8,对步骤7中重生成的网格施加步骤2中的流体力,并计算有限元计算;
步骤9,重复步骤3~8,直到满足残差条件,并通过逆向软件把有限元模型更新为用于制造加工的几何模型。

说明书全文

旋转机叶片反问题设计的计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及旋转机械叶片反问题设计技术领域,尤其涉及一种旋转机械叶片反问题设计的计算方法。

背景技术

[0002] 旋转机械的叶片主要目的是:使得能量在“流体动能”和“机械能”之间转换。旋转机械的效率,噪音等性能指标都与叶片的型式有关,通常研究一款满足要求的新型叶片,我们需要对叶片进行全参数化建模或局部参数化建模,明确叶片基本的设计变量,比如前缘、尾缘型式、弦长、安装等参数中哪些可以作为设计变量,并且明确我们需要的性能指标,然后设定一些约束条件,比如叶片直径最大最小范围,安装角最大最小范围等参数,最后我们通过优化算法进行寻优。通常为节省计算成本,叶片在计算流体分析(CFD)和优化时并不考虑叶片本身的变形,而实际叶片在流体离心力或材料影响下本身就存在变形,故我们通过上述步骤优化出来的叶片模型只是理想状态的模型,通常我们称此类模型为工作叶型(热态),而我们实际需要加工的模型称为加工叶型(冷态)。
[0003] 当前由工作叶型(热态)反推加工叶型(冷态)没有非常有效、精度较高的办法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点,而提出的一种旋转机械叶片反问题设计的计算方法。
[0005] 旋转机械叶片反问题设计的计算方法,包括以下步骤:基于有限元法计算叶片在流体力和离心力作用下叶片所有节点的位移情况,通过对初始模型的所有节点反向施加上一步流固耦合分析所得的节点的位移值,并且对节点和单元进行重新生成,形成有限元模型;然后再次施加流体力和离心力载荷,获取其模型变形之后所有节点的坐标,并比较当前节点坐标与初始气动分析最优模型的节点坐标的差值,如满足残差条件,则跳出循环并输出有限元模型,再通过逆向软件生成用于加工制造的几何模型,如不满足残差条件,则继续施加最近一步流固耦合分析的节点的位移值,直至寻找到满足条件的有限元模型。
[0006] 优选的,所述节点的位移值(X、Y、Z三个方向)需分别乘以三个方向的系数(松弛因子),以保证叶片单次反扭量不至于过大,从而保证叶片反问题设计的收敛稳定性
[0007] 优选的,所述有限元模型中单元采用空间8节点六面体单元,有限单元法根据虚功原理建立的非线性有限元平衡方程为:
[0008] [K]{δ}={P}   (1)
[0009] 式中,[K]为结构整体刚度矩阵;{δ}为节点位移列阵;{P}为节点荷载列阵;
[0010] 求解方程(1)可得模型各节点位移矩阵{δ},然后进行单元分析,即根据单元的节点位移列阵{δ}e确定单元的位移分量列阵{f}、应变分量列阵{ε};
[0011] 空间8节点等参单元的位移模式和坐标变换式分别为:
[0012]
[0013]
[0014] 式中,ui、vi、wi以及xi、yi、zi(i=1,2,…,8)分别为8个节点的节点位移分量与节点整体坐标分量,Ni为形函数,采用单元的局部坐标ξ、η、ζ表示,即得:
[0015]
[0016] 将式(4)代入式(2)得
[0017]
[0018] 根据弹性力学的几何方程,应变的计算公式如下:
[0019] {ε}=[B]{δ}e   (6)
[0020] 式中,[B]为应变矩阵。
[0021] 优选的,具体操作流程包括以下步骤:
[0022] 步骤1,输入需要反扭设计的模型,建立计算流体分析(CFD)的计算域,设置边界条件,设置残差条件,定常计算,得出叶片周围稳定时刻的流场分布,压力分布;
[0023] 步骤2,写出叶片表面(流固耦合面)上的压力数据,数据格式分四列,分别为X坐标值、Y坐标值、Z坐标值和压力;
[0024] 步骤3,输入需要反扭设计的模型,载入步骤2的压力载荷,设置有限元分析(FEA)的边界条件,并激活大变形,保证每次迭代计算都更新有限元模型的刚度;
[0025] 步骤4,获取模型变形之后的节点位移值,并保存在数据表中;
[0026] 步骤5,对需要反扭设计的初始模型上所有节点坐标值和变形之后节点坐标值进行比较,当满足残差条件,即跳出循环;
[0027] 步骤6,如不满足残差条件,则利用步骤4中的节点位移值,乘以三个方向的系数(松弛因子),得出更新之后的节点坐标值;
[0028] 步骤7,根据步骤6得出的更新之后的节点坐标值,重生成网格;
[0029] 步骤8,对步骤7中重生成的网格施加步骤2中的流体力,并计算有限元计算;
[0030] 步骤9,重复步骤3~8,直到满足残差条件,并通过逆向软件把有限元模型更新为用于制造加工的几何模型。
[0031] 本发明提出的计算方法,利用有限元法求解流固耦合问题,对计算结果进行反推预加工模型进行计算,该方法切实可行,操作简单,思路清晰,在已知气动分析之后的优化模型的基础上,通过流固耦合分析并往复迭代计算求得反扭模型,简单易懂,并且计算效率高,收敛稳定性好,而且旋转机械叶片的反问题不仅考虑了叶片的离心力,而且考虑了流体力,使得计算结果更符合实际,精度更高。附图说明
[0032] 图1为本发明提出的旋转机械叶片反问题设计的计算方法的有限元模型中所采用的空间8节点六面体单元示意图;
[0033] 图2为本发明提出的旋转机械叶片反问题设计的计算方法的流程图

具体实施方式

[0034] 下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
[0035] 参照图1-2,本发明提出的旋转机械叶片反问题设计的计算方法,具体操作流程包括以下步骤:
[0036] 步骤1,输入需要反扭设计的模型,建立计算流体分析(CFD)的计算域,设置边界条件,设置残差条件,定常计算,得出叶片周围稳定时刻的流场分布,压力分布;
[0037] 步骤2,写出叶片表面(流固耦合面)上的压力数据,数据格式分四列,分别为X坐标值、Y坐标值、Z坐标值和压力;
[0038] 步骤3,输入需要反扭设计的模型,载入步骤2的压力载荷,设置有限元分析(FEA)的边界条件,并激活大变形,保证每次迭代计算都更新有限元模型的刚度;
[0039] 步骤4,获取模型变形之后的节点位移值,并保存在数据表中;
[0040] 步骤5,对需要反扭设计的初始模型上所有节点坐标值和变形之后节点坐标值进行比较,当满足残差条件,即跳出循环;
[0041] 步骤6,如不满足残差条件,则利用步骤4中的节点位移值,乘以三个方向的系数(松弛因子),得出更新之后的节点坐标值;
[0042] 步骤7,根据步骤6得出的更新之后的节点坐标值,重生成网格;
[0043] 步骤8,对步骤7中重生成的网格施加步骤2中的流体力,并计算有限元计算;
[0044] 步骤9,重复步骤3~8,直到满足残差条件,并通过逆向软件把有限元模型更新为用于制造加工的几何模型。
[0045] 以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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