设计问题定义--1
ω1
p θ1 r1
pl1 pl2
p
Sl1ω2
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。
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
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。
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 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。
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；
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
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
比较－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) ；