本發(fā)明涉及航空航天領域，尤其涉及一種發(fā)動機流道型面的形性協(xié)同優(yōu)化設計方法。

背景技術：

1、發(fā)動機在工作過程中，歷經(jīng)快速的升/降溫過程及復雜交變的熱、力載荷，導致發(fā)動機內(nèi)流道型面存在結(jié)構變形，進而引起發(fā)動機在工作狀態(tài)下內(nèi)流道的幾何特征參數(shù)(如喉部直徑、噴管出口參數(shù)等)與理論的設計值存在偏差，最終導致發(fā)動機工作性能參數(shù)(如比沖、擴張比等)及內(nèi)流道流場的品質(zhì)等存在差異。

2、為減少發(fā)動機工作性能參數(shù)的差異，使發(fā)動機在工作狀態(tài)下的內(nèi)流道的幾何特征參數(shù)與理論設計值一致或接近，實現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)流道型面的保形設計；同時為滿足發(fā)動機關鍵幾何位置的控形要求，提高發(fā)動機內(nèi)流道結(jié)構幾何和功能的穩(wěn)定性，亟需提出一種更為有效的發(fā)動機流道型面的形性協(xié)同優(yōu)化設計方法，以解決發(fā)動機工作中所面臨的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)動機流道型面的形性協(xié)同優(yōu)化設計方法。

2、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種發(fā)動機流道型面的形性協(xié)同優(yōu)化設計方法，包括：

3、s1.根據(jù)理論內(nèi)流道型面，并對所述理論內(nèi)流道型面進行離散化并建立沿程等效剛度幾何單元；

4、s2.基于有限元單元分析方法及最小位能原理，計算所述沿程等效剛度幾何單元在熱力耦合多工況下的平均位移向量；

5、s3.根據(jù)所述平均位移向量計算所述各沿程等效剛度幾何單元的單元節(jié)點位移的加權平均值，獲得與所述單元節(jié)點相對應的響應節(jié)點并進行型面擬合以獲得與所述理論內(nèi)流道型面相對應的響應型面；

6、s4.評估所述響應型面與所述理論內(nèi)流道型面的加權平均誤差，若所述加權平均誤差大于預設閾值，通過對沿程等效剛度幾何單元的單元節(jié)點進行反向映射并構造新的沿程等效剛度幾何單元，并基于步驟s2至s4開展新一輪的熱力耦合分析以及響應節(jié)點的型面擬合迭代；直至所述加權平均誤差小于或等于預設閾值，則將迭代所對應的反向映射的單元節(jié)點進行型面重構，并輸出所述重構型面作為形性協(xié)同優(yōu)化設計的結(jié)果。

7、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，還包括：

8、s5.基于所獲得的重構型面，對所述重構型面的沿程結(jié)構剛度進行調(diào)控和優(yōu)化，以滿足預設關鍵幾何位置的控形要求；其中，采用改變所述重構型面沿程的等效厚度對沿程結(jié)構剛度進行調(diào)控和優(yōu)化。

9、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，步驟s1中，根據(jù)理論內(nèi)流道型面，并對所述理論內(nèi)流道型面進行離散化并建立沿程等效剛度幾何單元的步驟中，包括：

10、s11.基于所述理論內(nèi)流道型面的構型建立型面坐標系；

11、s12.選取所述理論內(nèi)流道型面上的內(nèi)流道型線進行離散化，形成沿程等效剛度幾何單元；其中，所述沿程等效剛度幾何單元具有多個單元節(jié)點，且多個所述單元節(jié)點包括：單元內(nèi)側(cè)節(jié)點和單元外側(cè)節(jié)點；

12、s13.基于所述型面坐標系分別獲取多個所述單元節(jié)點的坐標位置；

13、s14.基于結(jié)構剛度等效原理，將發(fā)動機內(nèi)流道簡化為單層等效壁厚結(jié)構，且將單層等效壁厚賦值到對應位置的所述沿程等效剛度幾何單元，以用于保證沿程等效剛度幾何單元的等效剛度保持與發(fā)動機內(nèi)流道沿程對應位置的結(jié)構剛度一致；其中，所述單層等效壁厚賦值為所述沿程等效剛度幾何單元的寬度。

14、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述沿程等效剛度幾何單元為軸對稱幾何單元。

15、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，步驟s2中，基于有限元單元分析方法及最小位能原理，計算所述沿程等效剛度幾何單元在熱力耦合多工況下的平均位移向量的步驟中，包括：

16、基于發(fā)動機的設計參數(shù)，分別計算所述沿程等效剛度幾何單元中單元節(jié)點在外載荷作用下的單元節(jié)點位移和在熱環(huán)境下發(fā)生熱變形的單元節(jié)點位移；

17、基于外載荷作用下的單元節(jié)點位移和熱變形引起的單元節(jié)點位移獲取所述平均位移向量。

18、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，步驟s2中，外載荷作用下的單元節(jié)點位移基于以下步驟獲得，其包括：

19、基于有限元方法中單元分析方法及最小位能原理，對所述沿程等效剛度幾何單元在外載荷作用下的整體節(jié)點位移進行求解，其表示為：

20、[ k]{ q}={ r}

21、[ k]=

22、[ k]e=rdzdr

23、{ r}=

24、其中，[ k]表示理論內(nèi)流道型面的整體剛度矩陣，{ r}表示沿程等效剛度幾何單元中整體節(jié)點載荷列向量， f表示外載荷按幾何單元節(jié)點編號疊加而成，{ q}為沿程等效剛度幾何單元中整體節(jié)點的位移列向量,且表示為：{ q}={ q1,…, qi,…, qn}， qi表示沿程等效剛度幾何單元中單元節(jié)點位移，[ k]e表示沿程等效剛度幾何單元剛度矩陣， b表示沿程等效剛度幾何單元的函數(shù)矩陣， d表示材料軸對稱彈性系數(shù)矩陣，其基于有限元方法中軸對稱單元構造方法獲得；

25、基于所獲得的整體節(jié)點位移分別獲取各個單元在外載荷作用下的單元節(jié)點位移，且表示為：

26、 qi=

27、其中， qi1和 qi2分別表示單元內(nèi)側(cè)節(jié)點，和分別表示單元外側(cè)節(jié)點。

28、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，步驟s2中，熱變形引起的單元節(jié)點位移表示為：

29、 qj= α

30、其中， α表示材料的熱膨脹系數(shù)， ti表示沿程等效剛度幾何單元中單元內(nèi)側(cè)節(jié)點的溫度，表示沿程等效剛度幾何單元中單元外側(cè)節(jié)點的溫度， ri和 zi表示單元內(nèi)側(cè)節(jié)點的坐標，和表示單元外側(cè)節(jié)點的坐標；

31、步驟s2中，所述平均位移向量表示為：

32、=

33、其中， k表示計算工況的數(shù)量， sj表示沿程等效剛度幾何單元中單元內(nèi)側(cè)節(jié)點的平均位移向量，表示沿程等效剛度幾何單元中單元外側(cè)節(jié)點的平均位移向量。

34、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，步驟s3中，根據(jù)所述平均位移向量計算所述各沿程等效剛度幾何單元的單元節(jié)點位移的加權平均值的步驟中，所述加權平均值表示為：

35、

36、其中，( uj, wj)表示沿程等效剛度幾何單元中單元內(nèi)側(cè)節(jié)點的坐標，(,)表示沿程等效剛度幾何單元中單元外側(cè)節(jié)點的坐標；

37、步驟s3中，獲得與所述單元節(jié)點相對應的響應節(jié)點并進行型面擬合以獲得與所述理論內(nèi)流道型面相對應的響應型面的步驟中，所述響應型面與所述沿程等效剛度幾何單元相對應的單元的響應節(jié)點的坐標表示為：

38、。

39、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，步驟s4中，通過對沿程等效剛度幾何單元的單元節(jié)點進行反向映射并構造新的沿程等效剛度幾何單元的步驟中，新的沿程等效剛度幾何單元基于反向映射的單元節(jié)點的坐標表示，且為：

40、

41、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，步驟s5中，采用改變所述重構型面沿程的等效厚度對沿程結(jié)構剛度進行調(diào)控和優(yōu)化的步驟中，以所述沿程等效剛度幾何單元在熱力耦合多工況下的平均位移向量的值小于預設值的方式作為約束條件，以改變所述重構型面沿程的等效厚度對其沿程的結(jié)構剛度進行調(diào)控和優(yōu)化。

42、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，本發(fā)明通過輸出迭代和優(yōu)化后的形性協(xié)同優(yōu)化型面，可在多工況熱力耦合分析下的響應與發(fā)動機的理論內(nèi)流道型面一致或接近，從而使發(fā)動機在工作狀態(tài)下內(nèi)流道的幾何特征參數(shù)與理論設計值一致或接近，進而實現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)流道型面的保形設計。

43、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，通過改變形性協(xié)同優(yōu)化設計出的響應型面中沿程幾何單元的等效厚度對沿程結(jié)構剛度進行調(diào)控和優(yōu)化，從而滿足發(fā)動機關鍵幾何位置的控形要求，進而有效地提高發(fā)動機內(nèi)流道幾何和功能穩(wěn)定性。

44、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，采用等效剛度軸對稱幾何單元對內(nèi)流道型面進行多工況下熱力耦合分析、迭代優(yōu)化和型面重構，以及沿程結(jié)構剛度的調(diào)節(jié)和優(yōu)化，該過程可通過編程或有限元仿真實施，有效地簡化了迭代和優(yōu)化設計過程。

45、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，采用平均位移向量的反向映射方法，構造新的等效單元進行形性協(xié)同的迭代和優(yōu)化，具有迭代優(yōu)化次數(shù)少、收斂性好等特點，有效的提高了本發(fā)明的優(yōu)化設計效率。