基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法技術

本發明專利技術提供了一種基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法，用于解決目前輪盤孔結構的孔邊應力集中問題，提高了設計結果的實用性，簡化了異型孔結構的設計過程。技術方案是采用超橢圓曲線對輪盤孔類結構進行改進；構建一種超橢圓異型孔多目標優化模型，使超橢圓異型孔輪廓同時滿足兩個優化目標：1）孔邊應力水平降低到設置水平2）孔形狀變化盡可能小以滿足傳力要求；該模型可通過優化獲得最佳設計。優化得到的超橢圓孔可按設計者需求將孔邊最大應力降低10%~20%，且異型孔輪廓形狀與先前圓孔的差異度較小，可滿足原有的裝配，保證傳力可靠。此外，該方法所需設計變量較少，異型孔輪廓的數學模型簡潔。

【技術實現步驟摘要】
基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法
本專利技術涉及航空發動機渦輪轉子部件的孔類結構優化設計領域，具體是一種基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法。
技術介紹
航空發動機渦輪轉子部件工作環境惡劣，其輪盤幅板上的螺栓孔、通氣孔等孔類結構常因應力集中現象，產生孔邊裂紋，成為輪盤失效的一個重要原因。傳統措施如采用孔邊倒角、拋光、增加結構重量等方法并不能從根本上解決該問題。
技術實現思路
本專利技術為了解決現有技術的問題，提供了一種基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法，按結構使用需求降低孔邊應力，同時保證孔輪廓形狀變化盡可能小，以此滿足強度要求、裝配要求并保證可靠傳力。該方法所需設計變量較少，異型孔數學模型簡潔。本專利技術包括以下步驟：步驟一、定義超橢圓異型孔曲線方程。式中，a、b為超橢圓曲線的半軸值，m、n為指數，其取值不同，超橢圓異型孔形狀不同，此專利技術中取m，n>2，此時異型孔輪廓介于方孔和圓孔之間，更加符合輪盤孔類結構的實際設計要求。步驟二、采用超橢圓參數方程運用有限元分析軟件進行參數化建模：式中，θ為參數，sgn為符號判斷函數：步驟三、構建超橢圓異型孔多目標優化模型：minf{f1(σmax)，f2(m,n)}；(4)其中，優化設計變量m、n為超橢圓曲線指數；σmax＝σmax(m,n)為設計點λ(m,n)對應的超橢圓孔孔邊最大主應力值，目標函數f1(σmax)代表孔邊應力降低程度；目標函數f2(m,n)代表超橢圓異型孔輪廓變化；upper和lower分別為曲線指數的上、下界；目標函數f2(m,n)計算方法如方程如下所示：f2(m,n)＝S1-S0。(6)S1為超橢圓異型孔面積，S0為原圓孔面積。步驟四、運用多目標優化方法對超橢圓異型孔優化模型進行尋優，最終得到異型孔輪廓優化結果。本專利技術有益效果在于：1、運用本專利技術得到的超橢圓異型孔結構，在不增加結構重量和影響其他結構的基礎上，按設計者需求應力目標，使孔邊應力降低10％～20％。2、本專利技術運用多目標優化方法，得到的異型孔在滿足強度要求的前提下，輪廓尺寸改變最小，并保證了傳力可靠，設計穩健性較好。3、超橢圓曲線異型孔數學模型結構簡潔，設計變量較少。附圖說明圖1是孔邊應力降低10％時，單參量(m＝n)超橢圓異型孔輪廓優化結果；圖2是孔邊應力降低10％時，兩參量(m≠n)超橢圓異型孔輪廓優化結果；其中：1-原螺栓通孔(基圓)。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步說明。下面結合具體實施方式對本專利技術作更進一步的說明。首先，定義超橢圓異型孔曲線方程。本專利技術中采用如下超橢圓曲線方程對輪盤孔類結構進行改進：其中a、b為超橢圓曲線的半軸值，m、n為指數，其取值不同，超橢圓異型孔形狀不同，此專利技術中取m，n>2，此時異型孔輪廓介于方孔和圓孔之間，更加符合輪盤孔類結構的實際設計要求。按方程(2)運用有限元分析軟件對超橢圓參數化方程進行建模，進一步對孔邊應力情況進行分析：式中，θ為參數，單位為角度，sgn為符號判斷函數：構建超橢圓異型孔多目標優化模型：minf{f1(σmax)，f2(m,n)}；(4)其中，設計變量m、n為超橢圓曲線指數，它們代表了設計點λ(m,n)；upper(＝6～8)為m、n上界，lower(＝2)為m、n下界；σmax＝σmax(m,n)為設計點λ(m,n)對應的超橢圓孔邊最大主應力值。目標函數f1(σmax)代表孔邊應力降低率，可由設計者根據需要設定(一般下降率可為10％～20％)；目標函數f2(m,n)代表超橢圓異型孔輪廓變化程度(異型度)，其計算方法如方程(16)所示。f2(m,n)＝S1-S0；(6)S1為超橢圓異型孔面積，S0為原圓孔面積。例：運用多目標優化方法對超橢圓異型孔優化模型進行尋優，設a＝b取為原螺栓通孔基圓半徑，對某渦輪盤安裝邊螺栓孔進行優化，得到超橢圓異型孔輪廓優化結果如下：1、當超橢圓優化模型為單參數時，異型孔輪廓優化結果如附圖1所示，可降低孔邊應力10％～20％，輪廓面積變化為5％～18％，圖中虛線部分為原螺栓通孔1。2、當超橢圓優化模型為雙參數時，異型孔輪廓優化結果如附圖2所示，可降低孔邊應力10％～20％，輪廓面積變化為5％～17％，圖中虛線部分為原螺栓通孔1。本專利技術提出了一種采用超橢圓曲線對輪盤孔類結構進行改進的異型孔設計方法，使優化得到的超橢圓異型孔邊最大應力可按結構使用要求降低10％～20％，且異型孔輪廓形狀與原圓孔的差異度盡可能小，可滿足原有的強度、裝配和傳力要求。此外，該方法所需設計變量較少，異型孔輪廓的數學模型簡潔。本專利技術具體應用途徑很多，以上所述僅是本專利技術的優選實施方式，應當指出，對于本
的普通技術人員來說，在不脫離本專利技術原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本專利技術的保護范圍。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法，其特征在于包括以下步驟：步驟一、定義超橢圓異型孔曲線方程：

【技術特征摘要】
1.一種基于超橢圓曲線的輪盤異型孔結構設計方法，其特征在于包括以下步驟：步驟一、定義超橢圓異型孔曲線方程：式中，a、b為超橢圓曲線的半軸值，m、n為指數；步驟二、采用超橢圓參數方程運用有限元分析軟件進行參數化建模：式中，θ為參數，sgn為符號判斷函數：步驟三、構建超橢圓異型孔多目標優化模型：minf{f1(σmax),f2(m,n)}；(4)

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭海丁，韓佳欣，殷良偉，王佳，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32