基于Kriging模型的叶盘系统多场耦合动力学多学科设计优化理论与试验研究

It takes the bladed disk system of gas compressor as the object, and presents a multidisciplinary design optimization to dynamic characteristics of blade-disk under multi-physical coupling field. Research content: With the multi-physical coupling field acting on bladed disk system, the dynamic characteristics is analyzed, then all the modules are integrated together. The mistuned parameters of blades are identified. The single-stage bladed disk of compressor is tested dynamically and the reliability performance of module of dynamic characteristics analysis is verified.Based on approximation method and intelligent optimization arithmetic, multidisciplinary design optimization of dynamics of bladed disk is developed.Key issues: CFD modeling and simulation on compressible and rotational flow field of single blade disk with the effect of the wake of stationary blades , and the principle of load transfer between coupling interfaces, and the strategy of flow field grid updating, and the multidisciplinary design optimization rule of dynamics of bladed disk system .Main innovations: Considering the influence of aerodynamic load, heat transference, coupling of bladed disk, contact nonlinear, rigidization caused by centrifugal effect and spin softening, systemic dynamics model is established. Based on Kriging model and elastic finite element, the method of the load transference between coupling interfaces and the flow field grid updating is proposed. Based on Isight platform, the modules of dynamics analysis under multi-physical field are integrated. Based on the Kriging model and the improved genetic algorithm, multidisciplinary design optimization of dynamics of bladed disk system is presented.

针对压气机叶盘系统设计分析优化的瓶颈问题，提出了多场耦合作用叶盘系统动力学多学科设计优化框架，以某压气机叶盘系统为对象开展研究。研究内容为：叶盘系统多场耦合作用动力学分析与模块集成；叶片失谐参数识别；压气机单级叶盘系统动测试验与多场耦合动力学分析模块可靠性验证；基于近似技术/智能优化算法的叶盘系统多场耦合动力学多学科设计优化。关键问题为：静叶尾迹影响的压气机单级可压缩旋转流场CFD建模与仿真；耦合界面载荷信息传递原理；流场网格更新策略；叶盘系统动力学多学科设计优化准则。创新点为：提出综合考虑气动、传热、叶盘结构耦合作用、接触非线性、离心刚化、旋转软化的叶盘系统动力学模型；提出基于Kriging模型与假设弹性体法相结合的耦合界面载荷信息传递及流场网格更新方法；基于Isight平台的叶盘系统多场耦合动力学分析模块集成；基于Kriging模型近似技术/改进遗传算法的叶盘系统动力学多学科设计优化。

叶盘系统作为航空发动机的关键零部件，其工作条件十分复杂，承受着气动力、离心力、热应力、振动等综合作用。随着航空发动机日益向高负荷、高效率和高可靠性的趋势发展，原有的单一物理场分析技术已不能满足航空发动机设计的需要。因此，提出新的设计分析手段，综合考虑气动、温度和叶盘结构的耦合作用，对航空发动机的气动稳定性和结构强度具有重要的意义。. 本课题以航空发动机叶盘系统为研究对象，综合考虑气动、传热、叶-盘结构的耦合作用，以及高速旋转的离心刚化与旋转软化效应、叶-盘接触非线性等因素的影响，开展了基于Kriging模型的叶盘系统多场耦合动力学多学科设计优化理论与试验研究。取得的主要成果有：. 利用静频试验、二分法和有限元分析相结合的方法，实现了失谐叶片参数的识别，获得了榫头与榫槽在摩擦接触、绑定接触条件下失谐叶盘系统的动态响应特性；建立了考虑非线性干摩擦的整周叶盘系统的动力学模型，分析了缘板非线性摩擦阻尼对失谐叶盘系统振动特性的影响规律和减振效果；考虑了前一级静叶尾迹的影响，基于滑移网格技术，完成了压气机流场的CFD仿真，确定了压气机转子叶片表面的非定常气动载荷分布规律；引入Kriging模型，实现了多场耦合界面载荷数据的传递，并验证了Kriging插值法在耦合界面载荷传递中的优越性；集成压气机叶盘系统多场耦合动力学分析软件，实现了压气机叶盘系统多物理场之间的耦合迭代求解，并基于动测试验验证了多场耦合分析软件的可靠性，讨论了气动载荷对失谐叶盘系统振动特性的影响；利用人工蚁群算法、改进遗传算法，开展了对既定失谐叶片的优化排序，降低了叶片振幅和各叶片平均振动，改善了叶盘系统整体振动能量的分布；基于Isight软件，结合拉丁超立方试验设计，拟合了Kriging近似模型，采用改进智能遗传优化算法，完成了压气机叶盘系统的多学科优化设计。