气、热和固的多学科耦合分析的方法与流程

1.本发明属于涡轮叶片寿命计算方法的技术领域，尤其涉及一种气、热和固的多学科耦合分析的方法。


背景技术：

2.涡轮作为航空发动机热端部件，具有进口来流温度高、压力大、工作环境严苛复杂等特点，是高度集成气动、传热、强度多学科深度交叉融合的学科。基于目前涡轮部件传统工程评估分析方法：气动设计、冷却设计、结构与强度设计相互独立、循环迭代的解耦设计方法，各学科、各专业之间设计迭代过程也存在一维、二维及三维设计阶段，使得在整个涡轮部件设计周期中各学科之间数据传递维度及精度无法保证，这将带来涡轮传统的设计评估方法固有的局限性：
3.1)专业之间设计迭代效率低；
4.2)学科之间数据传递维度及精度低；
5.3)涡轮叶片寿命预估偏差大。
6.因此传统的涡轮部件设计评估分析方法已无法满足涡轮叶片高效、高精度及长寿命低应力多物理场耦合设计要求。
7.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种气、热和固的多学科耦合分析的方法，解决现有技术中的方法欠缺对气、热和固综合考虑，仅单一进行考虑的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：
9.提供一种气、热和固的多学科耦合分析的方法，适用于航空发动机涡轮叶片寿命的评估，所述方法包括：
10.s101:根据涡轮叶片的预设几何形状及冷却结构参数，并基于cam软件生成涡轮叶片的模型；
11.s102:获取涡轮叶片的气动边界并确定出叶片每个点的实际温度和/或压力；
12.s103:根据所有点的所述实际温度和压力确定叶片所有点的静强度；
13.s104:根据所有点的所述静强度确定叶片的实际使用寿命。
14.这个方法，是在国内首次提出的考虑叶片多学科耦合条件下的分析方法，考虑叶片每个点受到气体温度或压力影响，固体强度，并耦合这些参数，最终确定叶片实际的使用寿命，真正意义上解决了涡轮叶片气、热、固等多物理场耦合问题，实现学科之间数据高维度、高精度传递，极大降低涡轮叶片设计迭代周期，提升设计精度。
15.与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：
16.本案的是在国内首次提出的考虑叶片多学科耦合条件下的分析方法，考虑片每个点受到气体温度或压力影响，固体强度，并耦合这些参数，最终确定叶片实际的使用寿命，
真正意义上解决了涡轮叶片气、热、固等多物理场耦合问题，实现学科之间数据高维度、高精度传递，极大降低涡轮叶片设计迭代周期，提升设计精度。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1本发明整体流程图；
具体实施方式
19.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
21.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
22.如图1的气、热和固的多学科耦合分析的方法，适用于航空发动机涡轮叶片寿命的评估，方法包括：
23.s101:根据涡轮叶片的预设几何形状及冷却结构参数，并基于cam软件生成涡轮叶片的模型；
24.s102:获取涡轮叶片的气动边界并确定出叶片每个点的实际温度和/或压力，具体的：
25.获取涡轮中燃气的物性参数和涡轮叶片材料的导热系数。燃气的物性参数，例如，气体密度、等压比热容或气体常数等。基于燃气物性参数和叶片材料导热系数，通过有限体
积及有限元分析法结合涡轮叶片的气动边界从而确定涡轮叶片每个点的实际温度和压力。
26.s103:根据所有点的实际温度和压力确定叶片所有点的静强度，具体的：
27.通过温度场对所有点进行区域划分，并判断每个区域的温度点是否超过预设值，预设值，即为，材料长时许用温度，如是，优化涡轮叶片的预设几何形状及冷却结构参数，直至满足预设值，即为，温度达标，如否，涡轮叶片每个点所述实际温度和压力的边界条件用于涡轮叶片的静强度，需要强调的是，使用该温度和压力的边界条件来进行确定，边界条件，是指在求解区域边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律，为范围值。如，获取涡轮叶片表面的气动载荷、叶片预设的安装方式约束参数和叶片的材料属性材料属性，例如，材料持久强度，且通过有限元分析方法结合涡轮叶片每个点的实际温度确定每个点的静强度。
28.s104:根据所有点的静强度的分布确定叶片的实际使用寿命，具体的：
29.判断静强度是否超过预设持久强度，持久强度，例如，应力的要求。如是，优化涡轮叶片的预设几何形状及冷却结构参数，直至每个点满足预设持久强度，即为，静强度达标，如否，确定叶片的实际使用寿命，如，获取叶片预设的安装方式约束参数，通过有限元分析方法结合每个点的静强度，确定叶片振动和模态参数，以确定叶片的实际使用寿命。
30.进一步的，确定叶片的实际使用寿命的方法包括：
31.判断叶片的实际使用寿命是否超过预设寿命值，设计规范而定，不同型号不同尺寸的涡轮均有一个标准范围，如是，优化涡轮叶片的预设几何形状及冷却结构参数，直至满足预设寿命值，如否，作为叶片实际参数使用。
32.本案的方法是在国内首次提出的考虑叶片多学科耦合条件下的分析方法，考虑片每个点受到气体温度或压力影响，固体强度，并耦合这些参数，最终确定叶片实际的使用寿命，真正意义上解决了涡轮叶片气、热、固等多物理场耦合问题，实现学科之间数据高维度、高精度传递，极大降低涡轮叶片设计迭代周期，提升设计精度。
33.并且，通过搭建涡轮叶片气热固多学科耦合分析流程，实现了涡轮叶片气动性能、温度场、热应力及寿命快速评估，同时不同学科之间的数据可在流程框架底层实现自动化传递，真正意义上解决了涡轮叶片气、热、固等多物理场耦合问题，实现学科之间数据高维度、高精度传递，极大降低涡轮叶片设计迭代周期，提升设计精度。
34.设计原理：
35.工作原理
36.1、本发明主要原理是，在现有ansys workbench平台下，可以实现涡轮叶片在各个设计评估阶段流程固化。在涡轮叶片气动评估分析阶段可以实现对叶片气动载荷、叶片流场及叶栅性能评估；
37.在涡轮叶片传热评估分析阶段可自动获取气动参数设计边界并开展叶片温度场评估分析；
38.在涡轮叶片静强度评估阶段可以根据气热耦合计算获取的气动载荷边界及温度场边界实现静强度计算边界条件自动加载，实现对叶片表面静强度评估分析；
39.在涡轮叶片模态评估分析阶段，可以自动继承来自上游静强度计算载荷数据及约束边界，实现对叶片的静频及动频计算，最终通过获取的叶片表面应力分布及叶片形变从而实现对涡轮叶片寿命的评估。
40.2、分析方法流程
41.一种航空发动机涡轮叶片气热固多学科耦合分析方法，具体流程如图1，包括以下步骤：
42.2.1涡轮叶片几何模型处理及网格划分
43.当涡轮叶片完成前期气动结构设计后，开展基于真实几何的涡轮叶片几何模型处理，在简化几何模型同时，最大程度还原真实几何，提高仿真评估精度；随后基于简化处理完的几何模型进行网格划分，为涡轮叶片气热固多学科耦合分析平台提供最初的几何及网格输入。
44.2.2涡轮叶片气热耦合计算
45.涡轮叶片网格划分完成后，在ansys workbench平台下的cfx气热耦合模块下实现涡轮叶片气动载荷及叶片温度场评估
46.2.3涡轮叶片静强度计算
47.将cfx气热耦合模块下获取的涡轮叶片气动载荷边界及温度场边界作为静强度计算模块输入边界，自动实现涡轮叶片载荷边界加载，实现涡轮叶片静强度评估，获取叶片表面应力分布及叶片形变
48.2.4涡轮叶片静频及动频计算
49.在cfx气热耦合模块下获取的叶片表面气动载荷分布及固体表面温度场，同时在静强度计算模块下获取的叶片表面应力作为叶片静频及动频计算模块输入边界，实现了涡轮叶片静频及动频计算，可获取叶片坎贝尔图，实现对涡轮叶片振动分析。
50.2.5涡轮叶片寿命评估
51.通过静强度计算模块及叶片振动分析获取的结果，并根据涡轮叶片材料参数，可完成对叶片寿命评估。
52.2.6判定涡轮叶片温度场、应力分布及寿命是否满足要求
53.根据涡轮叶片气热固多学科耦合评估结果判断分析涡轮叶片温度场、应力分布及寿命是否满足要求，如若存在涡轮叶片局部超温、局部应力过大、寿命短等异常问题进行及时反馈并优化叶片几何模型，再次进行迭代，最终获取满足涡轮叶片各方面指标要求的涡轮叶片设计结果。
54.以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。