涡轮单级叶片设计优化

气动分析
叶片几何模型 工况数据
强度分析
叶片温度场数据
流场性能数据 结束
叶片应力分布
设计仿真过程
叶片优化布局
ISIGHT 开始 叶片设计优化 结束
气动分析 温度场分析
强度分析
仿真软件和辅助软件 Numeca Ansys 自编程序
发动机涡轮叶片设计的特点
z 设计变量都是实型变量； z 设计变量数量多； z 各个学科负载不均衡； z 设计空间非线性，不规则； z 仿真分析周期长。
涡轮单级叶片设计优化
--ISIGHT用户会议
北航 廖馨 2004.9.27
大纲
z 课题说明 z 单级叶片设计流程 z 叶片设计优化方案 z 叶片设计优化的特点 z 单学科优化方法分析比较 z 优化策略分析 z 优化过程的并行化 z 优化结果
课题说明
z 本课题以815发动机涡轮叶片为基础，研 究发动机的多学科设计优化方法。
优化后 79.859% 166MPa 1120.83K 1198.95K
优化前后叶型对比
叶型设计优化
The End! Thanks!
z 不适合高度非线性问题：
z 逐次逼近法(Successive Approximation Method )、连续线性规 划 (Sequential Linear Programming) ；
z 混合整型优化(Mixed Integer Optimization – MOST )在设计变量都 是实数型时，等同于连续二次规划法；
针对叶片设计优化的单学科算法
比百度文库－不适合选取的方法
z 不适合分析时间很长的优化：
z Hooke-Jeeves直接搜索法(Hooke-Jeeves Direct Search Method) 、 连续二次规划法(Sequential Quadratic Programming )、广义下 降法 (Generalized Reduced Gradient - LSGRG2) ；
z 约束
z 几何约束：包括总体设计对叶片尺寸上的限制， 叶片自身结构上的干涉限制；
z 强度约束：最大应力 限制； z 温度约束：温度场最大温度值或平均温度不能超
过材料允许的极限温度 。
z 目标：气动效率最大
设计问题流程
工况数据
开始 叶片初始叶型参数
几何造型 几何模型转换 叶片气动几何模型
温度场分析
z 如果初始方案不满足约束的情况下，可以选用 外罚函数法(Exterior Penalty) ；
z 用修正可行方向法（Modified Method of Feasible Directions ）做局部优化（从可行区域内开始）。
采用的优化策略
z 引入实验设计方法；
z 勘探设计空间； z 甄选出重要影响变量； z 为响应面构造做数据准备。
z 有指导启发式搜索方法(Directed Heuristic Search－DHS )是专家 系统技术，不适合；
z 模拟退火算法(Adaptive Simulated Annealing )的优化过程比较
针对叶片设计优化的单学科算法 比较－适于选取的方法
z 可选的方法：
z 多岛遗传算法（Multi-Island Genetic Algorithm）能够遍 寻整个设计空间，跳出局部最优；
z 引入响应面逼近方法，减少优化成本；
z 拟合一阶模型，进行初始优化； z 拟合高阶模型，进行较为精确的优化。
z 利用已有的结果数据库。
优化设计的并行化
z ISIGHT的并行化
z 分布式处理设计过程中的 可并行部分。
z 利用实验设计和遗传算法 的可并行特性。
z Numeca的并行化
z 利用多CPU执行Numeca 的多块网格计算任务，减 少计算时间。
设计问题定义--1
ω1
p θ1 r1
pl1 pl2
p
Sl1
S
θ2
θ2 Sl2
pl3 ω2
p r2 θ3
Sl3
叶型截面参数
定子 转子
取决于
温度场分布 气动性能
应力分布
积叠线参数
设计问题定义--2
z 设计变量：涡轮一级叶片（包括定子叶片和 转子叶片）的几何型面数据
z 转毂和机匣几何参数 ； z 叶身气动外形参数 ； z 结构参数。
NUMECA
ISIGHT
叶片初步设计优化集成
ISIGHT中的实现界面
实验设计结果—Pareto图
z 导向器叶片设计Pareto z 一级叶片设计Pareto图 图
优化过程监控
优化结果
整级气动效率 动叶根部离心应力 静子表面平均温度 静子表面最高温度
优化前 78.051% 170MPa 1124.76K 1199.06K