一种异型喷管结构优化设计方法与流程

1.本发明涉及航空发动机喷管设计技术领域，尤其涉及一种异型喷管结构优化设计方法。


背景技术：

2.喷管是大涵道比发动机的重要组成部分，其性能对于高性能运输机来说有着非常明显的影响，即使其性能有细微变化也会使飞机性能产生较大的改变。现有技术中有较多关于喷管设计的相关文献。如公告号为cn103823921a的专利申请公开了一种大涵道比发动机分开式喷管设计方法，采用参数化设计，以光滑连续的曲线构建喷管壁面，应用合理的收敛段沿程面积变化规律确定喷管沿程面积变化，具体流程为：用于定义喷管气动设计初始参数并赋值的步骤一；用于求解喷管中位面型线的步骤二；用于求解喷管沿程面积变化规律的步骤三；用于求解喷管内、外壁面型线的步骤四；用于计算喷管气动性能的步骤五；设计时在流通截面上按收敛形式。
3.但是，现代航空发动机为提高隐身性能，往往采用异型喷管。上述专利cn103823921a并未公开针对异型喷管的设计方法。
4.喷管在工作时，受到高温燃气的气动载荷，而异形喷管周向不均匀性带来的载荷不均匀往往导致应力集中及较大的变形，为改善应力与变形，需在喷管结构中设计加强筋等加强结构，由此带来了结构增重，降低了推重比，影响了航空发动机的整机性能。如公开号为cn113700573a的专利申请就公开了一种带拉杆加强结构的对开式异型喷管，其内部设置有拉杆形成加强结构，以控制异型喷管应力和变形。但该专利也并未公开关于异型喷管的设计方法。
5.异型喷管部件的设计要求规定喷管最大应力应低于材料的许用应力，最大变形应小于设计要求值，重量应低于发动机分配给异型喷管部件的重量指标，为保证异型喷管具有较低的应力水平，较小的变形及较轻的重量，常常需在结构设计中做出取舍，结构设计上存在较大难度，因此，异型喷管结构优化设计尤为重要。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的是提出一种异型喷管结构优化设计方法，使异形喷管结构在满足强度要求下具有更低的重量。
7.为实现上述目的，本发明提出一种异型喷管结构优化设计方法，包括如下步骤：
8.步骤s1：确定异型喷管的结构设计参数及响应变量；
9.步骤s2：选用二阶响应曲面模型的box-behnken设计确定试验方案；
10.步骤s3：利用步骤s2所得的试验数据，采用响应面法建立起异型喷管结构设计参数与喷管最大应力、最大变形及重量之间的多项式方程；
11.步骤s4：利用步骤s3建立的多项式方程进行异型喷管最大应力、最大变形及重量的预测，以优化异型喷管的结构设计参数。
12.优选的，在步骤s1中，选取加强筋高度、加强筋厚度及喷管壁厚的结构参数作为自变量，并确定上述参数的选取范围，选取异型喷管最大应力、最大变形及重量为应变量。
13.优选的，在步骤s2中，采用ansys中的workbench工作平台中static structural模块进行仿真分析，计算异型喷管最大应力、最大变形，并使用ug进行模型称重，并记录结果数据。
14.优选的，在步骤s3中，利用步骤s2所得的试验数据，基于design-expert软件，采用响应面法建立起异型喷管结构设计参数与喷管最大应力、最大变形及重量之间的多项式方程：确定响应面的阶数，构造多项式函数，采用最小二次回归拟合多项式的系数，采用逐步回归法对各个影响参数做显著性分析，滤去不重要因子，并重新完成多项式回归，完成后做模型的适合性检验。
15.进一步地，在步骤s3中，对模型进行适合性检验，采用的检验方法为r2法。如r2≥0.75时，表明近似模型与样本响应值之间的相关性好，则模型可用；如不满足要求，则调整变量范围并重复步骤s2至步骤s3。
16.优选的，在步骤s4中，还需要对模型进行反预测。利用design-expert软件能对模型进行反预测，设定最大应力、最大变形及重量的目标值，反求出异型喷管结构设计参数，以实现异型喷管结构设计参数优化。
17.由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
18.本发明提供了一种异型喷管结构优化设计方法，采用有限元软件仿真分析对异型喷管结构强度进行仿真分析，通过ug软件对异型喷管进行称重，利用响应面法建立结构设计参数与最大应力、最大变形及重量之间的映射关系，预测不同结构设计参数下的异形喷管最大应力、最大变形及重量，从而得到最优的异型喷管结构，适合于喷管结构设计参数的选取与优化。
附图说明
19.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要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示出的结构获得其他的附图。
20.图1为本发明所提供的异型喷管结构优化设计流程图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
22.结合图1所示，一种异型喷管结构优化设计方法，包括如下步骤：
23.步骤s1：确定异型喷管的结构设计参数及响应变量；选取加强筋高度、加强筋厚度及喷管壁厚的结构参数作为自变量，并确定上述参数的选取范围，选取异型喷管最大应力、最大变形及重量为应变量。
24.步骤s2：选用二阶响应曲面模型的box-behnken设计确定试验方案；采用ansys中的workbench工作平台中static structural模块进行仿真分析，计算异型喷管最大应力、最大变形，并使用ug进行模型称重，并记录结果数据
25.步骤s3：利用步骤s2所得的试验数据，基于design-expert软件，采用响应面法建立起异型喷管结构设计参数与喷管最大应力、最大变形及重量之间的多项式方程：确定响应面的阶数，构造多项式函数，采用最小二次回归拟合多项式的系数，采用逐步回归法对各个影响参数做显著性分析，滤去不重要因子，并重新完成多项式回归，完成后做模型的适合性检验；
26.步骤s4：利用步骤s3建立的多项式方程进行喷管最大应力、最大变形及重量的预测，在进行结构设计时输入结构设计参数，可以直接预测出异型喷管最大应力、最大变形及重量，同时，利用design-expert软件能对模型进行反预测，设定最大应力、最大变形及重量的目标值，能够反求出异型喷管结构设计参数，从而实现结构设计参数优化。
27.在本实施例中，在步骤s3中，对模型进行适合性检验，采用的检验方法为r2法。如r2≥0.75时，表明近似模型与样本响应值之间的相关性好，则模型可用；如不满足要求，则调整变量范围并重复步骤s2至步骤s3。
28.在本发明中，采用有限元分析软件ansys、ug建模软件分析异型喷管结构最大应力、最大变形及重量，应用design-expert软件，采用响应面法对建立异型喷管结构最大应力、最大变形及重量与喷管结构设计参数的多项式方程，预测各响应变量随自变量的变化，指导并优化异型喷管结构设计。
29.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。