基于连续/离散变量的异型孔多目标均衡优化研究
发布时间：2021-10-10 09:35
异型螺栓孔是航空发动机高压涡轮转子部件连接结构中采用的一种新型结构。国外先进发动机的设计实践表明,利用结构优化设计方法给出的合理的异型螺栓孔结构可有效地降低孔边应力,从而大大提高轮盘的疲劳寿命。在国内,近年来针对异型螺栓孔结构优化设计的研究也取得了一定进展,所提出的异型孔模型及优化模型在降低螺栓孔边应力时效果明显。但问题并未全部解决。由于已有的异型孔结构优化模型目标单一,约束条件过少,由此所获得的最优解质量不高,优化结果的稳定性也较差。有鉴于此,本文针对异型孔结构模型、优化模型和优化方法设计方面进行了深入的研究。论文主要内容如下:分别基于连续变量和离散变量提出了适用于异型螺栓孔结构设计的多目标优化模型。论文基于均衡设计的思想,针对不同变量类型,分别采用NSGA-II算法和动态权系法对异型孔轮廓设计模型进行寻优,使设计解可在充分降低孔边应力的同时,避免了过度设计。论文通过对某航空发动机高压涡轮螺栓连接单元的轮盘受力特点的分析,确定了适用于涡轮盘和封严盘结构异型螺栓孔优化的力学模型;论文通过分析超椭圆和八圆弧异型孔轮廓参数变化对孔边应力的影响,发现异型孔优化设计点集合中,存在应力缓降的“准...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
某型航空发动机高压涡轮转子结构
孔和螺栓孔一直是轮盘失效的关键部位。罗公司早在 19 世纪 80 年代的报告中就已经标明：轮盘中心孔和螺重时，孔边裂纹导致的轮盘开裂可穿破机匣，从而产生灾难性后果局和航空发动机工业协会已经对高压涡轮转子上孔结构的概率损伤估轮盘的使用寿命[12]。2012 年，GE、普惠和罗罗公司的 Enright 和效的孔结构损伤容差预测方法[13]。型孔结构国内外研究现状纪 70 年代以来，随着对轮盘结构设计技术研究的深入，涡轮盘上孔学者越来越广泛的重视。研究表明，采取传统工艺措施如抛光或孔力集中效果并不明显，而增加结构尺寸则成为不得已的措施[14]。题，GE 公司和法国 Safran 公司联合研制的某型航空发动机涡轮组压涡轮盘前安装边螺栓通孔改为非圆异型孔结构，这一设计引起了。陈光教授曾对图 1.2 所示高压涡轮盘中的异型孔结构做出解释，低螺栓孔附近应力大小，改善应力分布情况，提高发动机寿命[15]
图 1.3 某航空发动机涡轮盘上异型孔的异型孔单目标优化方案[18,19]，该优化方案可有效降低轮盘螺栓孔边应型并不尽如人意，主要存在以下问题：原优化模型仅以孔边应力降低为单一目标，未考虑加工工艺和实际装配情优化结果往往与设计变量取值边界有关。设计边界较大时，孔轮廓更接计除了会增加加工的难度之外，也往往会影响结构的传力、传扭，而由极限”设计特征（过度设计）的异型孔结构也令设计者怀疑其稳健性。由于约束有限，原有模型对涡轮盘异型孔进行优化时，最优解常常在优化差，不同设计者优化得到的解也往往不尽一致，这为最终方案的抉择带非双轴对称异型孔结构而言，由于其设计变量达到五个，所得的优化结外，异型孔各圆弧段尺寸对孔边应力的影响并不清晰。原模型采用连续变量为基础进行优化，得到的结果往往不能满足工业加工点往往需要根据加工条件进行圆整并重新检验，因此降低了优化效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压涡轮机匣热固耦合下多目标优化方法[J]. 戴雄,关玉璞,赵振华,陈伟,刘璐璐. 航空动力学报. 2017(08)
[2]响应面法在可靠性灵敏度分析中的应用[J]. 蔡斌,邢海丰. 机械设计与研究. 2016(04)
[3]剪切螺栓群配合间隙概率分布研究[J]. 冯蕴雯,刘思宏,薛小锋. 西北工业大学学报. 2015(05)
[4]通用过渡圆弧改进设计与榫齿连接结构多变量优化[J]. 雷驰,温卫东,崔海涛. 航空动力学报. 2015(05)
[5]机翼后缘柔性支撑结构的拓扑优化[J]. 金栋平,纪斌. 航空学报. 2015(08)
[6]轮盘概念设计中拓扑和形状同时优化方法[J]. 范俊,尹泽勇,王建军,米栋,闫成. 北京航空航天大学学报. 2015(03)
[7]施加轴向力的旋转轮盘低循环疲劳试验[J]. 刘大成,黄福增,刘闯,霍成民,刘海. 航空动力学报. 2014(06)
[8]航空发动机多辐板风扇盘拓扑优化与形状优化设计技术[J]. 宋健,温卫东,崔海涛,刘超. 推进技术. 2013(09)
[9]涡轮盘双轴对称异形孔结构建模与优化[J]. 陈秋任,郭海丁,刘小刚. 航空动力学报. 2013(06)
[10]航天器天线桁架结构多目标优化设计[J]. 张铁亮,丁运亮,金海波,张珍铭. 固体力学学报. 2012(06)
硕士论文
[1]航空发动机转子碎片冲击破损失效特征研究[D]. 宋健.中国民航大学 2015
[2]某涡扇发动机风扇轮盘强度分析及寿命预测[D]. 杨亮.电子科技大学 2015
[3]U型伸缩臂下滑块接触区应力分析及公式拟合[D]. 韩立.大连理工大学 2014
[4]涡轮连接单元异型孔应力场分析及结构优化[D]. 张超.南京航空航天大学 2014
[5]涡轮盘异型孔结构设计与优化[D]. 陈秋任.南京航空航天大学 2013
[6]航空发动机转子连接螺栓预紧力与疲劳寿命研究[D]. 刘存.南京航空航天大学 2009
本文编号：3428122
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
某型航空发动机高压涡轮转子结构
孔和螺栓孔一直是轮盘失效的关键部位。罗公司早在 19 世纪 80 年代的报告中就已经标明：轮盘中心孔和螺重时，孔边裂纹导致的轮盘开裂可穿破机匣，从而产生灾难性后果局和航空发动机工业协会已经对高压涡轮转子上孔结构的概率损伤估轮盘的使用寿命[12]。2012 年，GE、普惠和罗罗公司的 Enright 和效的孔结构损伤容差预测方法[13]。型孔结构国内外研究现状纪 70 年代以来，随着对轮盘结构设计技术研究的深入，涡轮盘上孔学者越来越广泛的重视。研究表明，采取传统工艺措施如抛光或孔力集中效果并不明显，而增加结构尺寸则成为不得已的措施[14]。题，GE 公司和法国 Safran 公司联合研制的某型航空发动机涡轮组压涡轮盘前安装边螺栓通孔改为非圆异型孔结构，这一设计引起了。陈光教授曾对图 1.2 所示高压涡轮盘中的异型孔结构做出解释，低螺栓孔附近应力大小，改善应力分布情况，提高发动机寿命[15]
图 1.3 某航空发动机涡轮盘上异型孔的异型孔单目标优化方案[18,19]，该优化方案可有效降低轮盘螺栓孔边应型并不尽如人意，主要存在以下问题：原优化模型仅以孔边应力降低为单一目标，未考虑加工工艺和实际装配情优化结果往往与设计变量取值边界有关。设计边界较大时，孔轮廓更接计除了会增加加工的难度之外，也往往会影响结构的传力、传扭，而由极限”设计特征（过度设计）的异型孔结构也令设计者怀疑其稳健性。由于约束有限，原有模型对涡轮盘异型孔进行优化时，最优解常常在优化差，不同设计者优化得到的解也往往不尽一致，这为最终方案的抉择带非双轴对称异型孔结构而言，由于其设计变量达到五个，所得的优化结外，异型孔各圆弧段尺寸对孔边应力的影响并不清晰。原模型采用连续变量为基础进行优化，得到的结果往往不能满足工业加工点往往需要根据加工条件进行圆整并重新检验，因此降低了优化效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压涡轮机匣热固耦合下多目标优化方法[J]. 戴雄,关玉璞,赵振华,陈伟,刘璐璐. 航空动力学报. 2017(08)
[2]响应面法在可靠性灵敏度分析中的应用[J]. 蔡斌,邢海丰. 机械设计与研究. 2016(04)
[3]剪切螺栓群配合间隙概率分布研究[J]. 冯蕴雯,刘思宏,薛小锋. 西北工业大学学报. 2015(05)
[4]通用过渡圆弧改进设计与榫齿连接结构多变量优化[J]. 雷驰,温卫东,崔海涛. 航空动力学报. 2015(05)
[5]机翼后缘柔性支撑结构的拓扑优化[J]. 金栋平,纪斌. 航空学报. 2015(08)
[6]轮盘概念设计中拓扑和形状同时优化方法[J]. 范俊,尹泽勇,王建军,米栋,闫成. 北京航空航天大学学报. 2015(03)
[7]施加轴向力的旋转轮盘低循环疲劳试验[J]. 刘大成,黄福增,刘闯,霍成民,刘海. 航空动力学报. 2014(06)
[8]航空发动机多辐板风扇盘拓扑优化与形状优化设计技术[J]. 宋健,温卫东,崔海涛,刘超. 推进技术. 2013(09)
[9]涡轮盘双轴对称异形孔结构建模与优化[J]. 陈秋任,郭海丁,刘小刚. 航空动力学报. 2013(06)
[10]航天器天线桁架结构多目标优化设计[J]. 张铁亮,丁运亮,金海波,张珍铭. 固体力学学报. 2012(06)
硕士论文
[1]航空发动机转子碎片冲击破损失效特征研究[D]. 宋健.中国民航大学 2015
[2]某涡扇发动机风扇轮盘强度分析及寿命预测[D]. 杨亮.电子科技大学 2015
[3]U型伸缩臂下滑块接触区应力分析及公式拟合[D]. 韩立.大连理工大学 2014
[4]涡轮连接单元异型孔应力场分析及结构优化[D]. 张超.南京航空航天大学 2014
[5]涡轮盘异型孔结构设计与优化[D]. 陈秋任.南京航空航天大学 2013
[6]航空发动机转子连接螺栓预紧力与疲劳寿命研究[D]. 刘存.南京航空航天大学 2009
本文编号：3428122
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