【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空航天领域，尤其涉及一种发动机流道型面的形性协同优化设计方法。
技术介绍
1、发动机在工作过程中，历经快速的升/降温过程及复杂交变的热、力载荷，导致发动机内流道型面存在结构变形，进而引起发动机在工作状态下内流道的几何特征参数(如喉部直径、喷管出口参数等)与理论的设计值存在偏差，最终导致发动机工作性能参数(如比冲、扩张比等)及内流道流场的品质等存在差异。
2、为减少发动机工作性能参数的差异，使发动机在工作状态下的内流道的几何特征参数与理论设计值一致或接近，实现发动机内流道型面的保形设计；同时为满足发动机关键几何位置的控形要求，提高发动机内流道结构几何和功能的稳定性，亟需提出一种更为有效的发动机流道型面的形性协同优化设计方法，以解决发动机工作中所面临的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种发动机流道型面的形性协同优化设计方法。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种发动机流道型面的形性协同优化设计方法，包括：
3、s1.根据理论内流道型面，并对所述理论内流道型面进行离散化并建立沿程等效刚度几何单元；
4、s2.基于有限元单元分析方法及最小位能原理，计算所述沿程等效刚度几何单元在热力耦合多工况下的平均位移向量；
5、s3.根据所述平均位移向量计算所述各沿程等效刚度几何单元的单元节点位移的加权平均值，获得与所述单元节点相对应的响应节点并进行型面拟合以获得与所述理论内流道型面相对应的响应型面；
6、s4.评估所述响应型面与所述理论内流道型面的加权平均误差，若所述加权平均误差大于预设阈值，通过对沿程等效刚度几何单元的单元节点进行反向映射并构造新的沿程等效刚度几何单元，并基于步骤s2至s4开展新一轮的热力耦合分析以及响应节点的型面拟合迭代；直至所述加权平均误差小于或等于预设阈值，则将迭代所对应的反向映射的单元节点进行型面重构，并输出所述重构型面作为形性协同优化设计的结果。
7、根据本专利技术的一个方面，还包括：
8、s5.基于所获得的重构型面，对所述重构型面的沿程结构刚度进行调控和优化，以满足预设关键几何位置的控形要求；其中，采用改变所述重构型面沿程的等效厚度对沿程结构刚度进行调控和优化。
9、根据本专利技术的一个方面，步骤s1中，根据理论内流道型面，并对所述理论内流道型面进行离散化并建立沿程等效刚度几何单元的步骤中，包括：
10、s11.基于所述理论内流道型面的构型建立型面坐标系；
11、s12.选取所述理论内流道型面上的内流道型线进行离散化，形成沿程等效刚度几何单元；其中，所述沿程等效刚度几何单元具有多个单元节点，且多个所述单元节点包括：单元内侧节点和单元外侧节点；
12、s13.基于所述型面坐标系分别获取多个所述单元节点的坐标位置；
13、s14.基于结构刚度等效原理，将发动机内流道简化为单层等效壁厚结构，且将单层等效壁厚赋值到对应位置的所述沿程等效刚度几何单元，以用于保证沿程等效刚度几何单元的等效刚度保持与发动机内流道沿程对应位置的结构刚度一致；其中，所述单层等效壁厚赋值为所述沿程等效刚度几何单元的宽度。
14、根据本专利技术的一个方面，所述沿程等效刚度几何单元为轴对称几何单元。
15、根据本专利技术的一个方面，步骤s2中，基于有限元单元分析方法及最小位能原理，计算所述沿程等效刚度几何单元在热力耦合多工况下的平均位移向量的步骤中，包括：
16、基于发动机的设计参数，分别计算所述沿程等效刚度几何单元中单元节点在外载荷作用下的单元节点位移和在热环境下发生热变形的单元节点位移；
17、基于外载荷作用下的单元节点位移和热变形引起的单元节点位移获取所述平均位移向量。
18、根据本专利技术的一个方面，步骤s2中，外载荷作用下的单元节点位移基于以下步骤获得，其包括：
19、基于有限元方法中单元分析方法及最小位能原理，对所述沿程等效刚度几何单元在外载荷作用下的整体节点位移进行求解，其表示为：
20、[ k]{ q}={ r}
21、[ k]=
22、[ k]e=rdzdr
23、{ r}=
24、其中，[ k]表示理论内流道型面的整体刚度矩阵，{ r}表示沿程等效刚度几何单元中整体节点载荷列向量， f表示外载荷按几何单元节点编号叠加而成，{ q}为沿程等效刚度几何单元中整体节点的位移列向量,且表示为：{ q}={ q1,…, qi,…, qn}， qi表示沿程等效刚度几何单元中单元节点位移，[ k]e表示沿程等效刚度几何单元刚度矩阵， b表示沿程等效刚度几何单元的函数矩阵， d表示材料轴对称弹性系数矩阵，其基于有限元方法中轴对称单元构造方法获得；
25、基于所获得的整体节点位移分别获取各个单元在外载荷作用下的单元节点位移，且表示为：
26、 qi=
27、其中， qi1和 qi2分别表示单元内侧节点，和分别表示单元外侧节点。
28、根据本专利技术的一个方面，步骤s2中，热变形引起的单元节点位移表示为：
29、 qj= α
30、其中， α表示材料的热膨胀系数， ti表示沿程等效刚度几何单元中单元内侧节点的温度，表示沿程等效刚度几何单元中单元外侧节点的温度， ri和 zi表示单元内侧节点的坐标，和表示单元外侧节点的坐标；
31、步骤s2中，所述平均位移向量表示为：
32、=
33、其中， k表示计算工况的数量， sj表示沿程等效刚度几何单元中单元内侧节点的平均位移向量，表示沿程等效刚度几何单元中单元外侧节点的平均位移向量。
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1.一种发动机流道型面的形性协同优化设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，还包括：
3.根据权利要求2所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，根据理论内流道型面，并对所述理论内流道型面进行离散化并建立沿程等效刚度几何单元的步骤中，包括：
4.根据权利要求3所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，所述沿程等效刚度几何单元为轴对称几何单元。
5.根据权利要求4所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤S2中，基于有限元单元分析方法及最小位能原理，计算所述沿程等效刚度几何单元在热力耦合多工况下的平均位移向量的步骤中，包括：
6.根据权利要求5所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤S2中，外载荷作用下的单元节点位移基于以下步骤获得，其包括：
7.根据权利要求6所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤S2中，热变形引起的单元节点位移表示为：
8.根据权利要求7所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤S3中，根据所述平均位移向量计算
9.根据权利要求8所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤S4中，通过对沿程等效刚度几何单元的单元节点进行反向映射并构造新的沿程等效刚度几何单元的步骤中，新的沿程等效刚度几何单元基于反向映射的单元节点的坐标表示，且为：
10.根据权利要求9所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤S5中，采用改变所述重构型面沿程的等效厚度对沿程结构刚度进行调控和优化的步骤中，以所述沿程等效刚度几何单元在热力耦合多工况下的平均位移向量的值小于预设值的方式作为约束条件，以改变所述重构型面沿程的等效厚度对其沿程的结构刚度进行调控和优化。
...【技术特征摘要】
1.一种发动机流道型面的形性协同优化设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，还包括：
3.根据权利要求2所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤s1中，根据理论内流道型面，并对所述理论内流道型面进行离散化并建立沿程等效刚度几何单元的步骤中，包括：
4.根据权利要求3所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，所述沿程等效刚度几何单元为轴对称几何单元。
5.根据权利要求4所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤s2中，基于有限元单元分析方法及最小位能原理，计算所述沿程等效刚度几何单元在热力耦合多工况下的平均位移向量的步骤中，包括：
6.根据权利要求5所述的形性协同优化设计方法，其特征在于，步骤s2中，外载荷作用下的单元节点位移基于以下步骤获得，其包括：
7.根据权利要求6所述的形性协同...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘余，曾亿江，陈健，王宁，刘朝阳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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