常规立方晶格点阵轮的设计与静力学分析

摘要

为实现压气机叶轮在刚度和强度具有可调性的同时降低叶轮质量,基于常规立方晶格结构设计出一种新型轻量化压气机叶轮.通过3种模型悬臂梁比较计算,证明渐进均匀化(asymptotic homogenization,AH)方法在大规模点阵计算问题上具有较好的计算精度.在此基础上,采用AH方法对不同单胞填充率的点阵轮在仅考虑80000 r/min的惯性荷载时的静力学性能进行了数值计算.研究结果表明,对于所研究路径,点阵轮的变形和应力介于无填充轮和实心轮之间,大叶片外缘的周向变形最大与最小变形差值(极差)在所有研究工况下均小于无填充轮和实心轮.对于填充率为0.4的情况,其周向变形极差值比实心轮约低23.25％,比无填充轮约低55.46％,其质量相对于实心轮可降低17.08％.这意味着点阵轮相对于传统压气机叶轮除了能较大降低叶轮质量,还将具有更好的周向抗畸变能力和更高的工作效率.同时,点阵轮相对于无填充轮和实心轮叶片边缘具有更小的轴向应力,因此可为设计更高转速的压气机叶轮提供强度保证,同时也为叶轮结构的轻量化设计提供了一种新的设计思路.