基于多学科设计优化的整体风扇叶片盘六西格码设计技术研究(608所)

基于多学科设计优化的整体风扇叶片盘六西格码设计技术研究

朱亮 刘杨 蔡显新

中国航空动力机械研究所

摘要：提出了一种基于多学科设计优化的整体叶片盘六西格码设计方法。该方法实施阶段分为定义、设计、测量、优化、验证六个阶段，能够有效解决整体风扇叶片盘多学科耦合复杂以及对解的稳定性要求高的难点。文中所给算例验证了本方法的工程有效性。

1引言

由于整体风扇叶片盘连接件少、结构简单，已日益被先进涡扇发动机所采用。先进的整体风扇叶片盘计难度主要体现在两个方面。一是整体风扇叶片盘设计属于典型的多学科设计，所涉及的学科包括结构、气动、振动，强度等多个学科，且各学科间的耦合关系复杂，如何匹配协调各学科间的耦合关系是个难题。二是近些年来的研制表明，在整体风扇叶片盘制造及使用过程中，某些关键尺寸偏离原设计值并不大，但导致叶片盘性能指标较大幅度下降，因此必须在设计阶段加以考虑此影响。目前来看，解决以上技术难题最佳技术途经是采用基于多学科设计优化的六西格码设计技术。

2基于多学科设计优化的六西格码设计技术的内涵

多学科稳健设计包括两层含义，一是多学科设计优化(MDO，multidisciplinary design optimization)，另一个是稳健性设计(Robust Design)。

多学科设计优化(MDO，multidisciplinary design optimization)是一种通过充分探索并利用工程系统中各学科间相互作用的协调机制来设计复杂系统和子系统的方法论。它在设计过程中考虑各学科间的耦合作用，平衡各学科间的冲突，利用多学科优化方法与优化算法来寻求系统最优解，从而提高产品质量、缩短研制周期。MDO最早起源于上世纪七十年代美国航空航天界，在起初的一、二十年间，受计算机软硬件等条件的限制，工作主要集中于多学科优化方法的理论研究方面。20世纪90年代中后期，随着计算机软硬件技术的快速发展，MDO在工业发达国家得到广泛的工程应用，如美国在其第三代飞机F–16[1]、F／A–18E/F[2]的改进以及第四代飞机F–22[3]的设计中，均不同程度地采用了MDO技术，取得了较好的效果。

稳健设计(Robust Design)是六西格码设计的核心技术。稳健设计习称鲁棒设计，又叫动静参数设计，是日本著名质量管理专家田口玄一博士在七十年代初从工程观点、技术观点和经济观点对质量管理的理论与方法进行创新研究创立的，所以又称为“田口方法”(Taguchi Methods)。田口方法既重视经济效益，又不等同于经济学；既运用数理统计方法，又不完全以统计观点来研究质量管理，他以工程学和技术观点研究质量管理理论和方法，具有通用性和边缘性的特点，因此又被称为“质量工程学”。稳健设计不仅要满足产品或过程高性能和低成本,更要使产品的性能对参数的影响具有不敏感性,并且在产品的寿命周期内,不管其零件的老化和环境的变化都能稳定地工作。简而言之,稳健设计是在产品设计阶段通过优化设计方案,尽量减少质量波动,从而获得低成本、高性能、高可靠性的产品［4～6］。

3基于多学科设计优化的六西格码设计技术的流程

六西格码实施确定为：定义、设计、测量、优化、验证。本文结合某涡扇发动机风扇叶片盘为例，具体介绍本文所提出方法的流程。

3.1 定义和设计

在项目的定义阶段需确定关键质量特性、项目Y（量化的项目关键质量特性）、设计目标。整体叶片盘的顾客关键质量特性(CTQ，Critical To Quality)与航空发动机整体设计相关，现将与本项目相关的CTQ列于表1。为尽量满足顾客要求，确定项目目标为：在满足强度、振动、气动性能及足够容差能力的前提下，减轻叶片盘重量，减小叶片叶尖径向位移，缩短设计周期。由此确定项目关键质量特性列于表2。将关键质量特性量化以便实施设计优化，量化后的项目Y列于表3。值得指出的是，由表1～表3可见，本文在定义和设计阶段已考虑了结构、气动、强度、振动及寿命五个学科。

表1 顾客CTQ

序号 1 2 3 4 5 6 7 CTQ功率/推力给定功、推/重比高尺寸适当小耗油率低“五性”高*研制周期短研制成本低

表 2 项目CTQ

序号 1 2 3 4 5 6

CTQ叶片盘重量轻强度满足要求叶片位移小气动性能好抗噪声能力强设计周期短

表1对应项 2 5 1,2,4 1,2 5,7 6

表3 项目Y

项目Y

序号 CTQ

基本要求理想状态

1 重量轻重量<36kg 0（g）

2 强度足够最大应力<800MPa

共振裕度≥10%

寿命≥9000(循环)

（约束）

3 叶尖径向位移小位移<3.0mm 0（mm）

4 内/外涵气动性

能好

压比>1.8/1.9,损失<0.07/0.11,

总流量=102

（约束）

5 抗噪声能力强尺寸公差≤14级

光洁度≤3.2

（约束）

6 设计周期短设计周期<30天0（天）

在设计阶段需确定整体风扇叶片盘的初始方案。图1示出了风扇整体叶片盘初步方案的轮廓图。初始方案确定后，进行叶片气动设计，图2为叶片中截面马赫数分布图。在本项目的研究中，气动设计完成后，在“优化”阶段不再进行优化，而将作为约束条件加以约束。

3.2 测量

利用计算机仿真技术，对初始方案的部分项目Y值进行了测试，测试结果见表4。图3为由仿真获得的应力分布图。由表3和表4可看出，初始方案的重量和叶片最大位移不满足要求，因此设计的主要目标是减轻叶轮重量，减小叶片位移。

表4 初步方案部分项目Y值

重量(kg)

叶尖位移

(mm) 轮盘最大应力

(MPa)

叶片最大应力

(MPa)

共振裕度寿命

37.1 3.68599.1759.5>10%无穷

3.3 优化

3.3.1 设计参数及噪声因素

轮盘上可供选择的设计变量列于图4。图中，r表示倒圆的半径，x为轴向坐标，y 为圆弧半径。轮缘部分的尺寸、轮盘的总厚度、内孔的半径等事先确定，其它尺寸原则上都可以改变。在具有倒圆弧的地方，本文一般将设计变量设在于圆弧相切的两条直线的焦点上。在采用CAD软件作两直线间过渡圆弧时，通常先给定圆弧半径，然后分别选取这两条直线来进行倒圆弧操作的。因此本文采用的方式与这一思路是相符的。