燃气轮机轮盘多目标优化平台的研究与开发

摘要

燃气轮机作为一种大型、先进的动力装置，是各种动力领域必不可少的重要设备。燃气轮机转子轮盘作为燃气轮机的重要部件，其性能的优劣将直接影响整机的使用性能和安全性能。因此，对燃气轮机转子轮盘的结构设计和优化在燃气轮机的设计中具有举足轻重的地位。
　　目前设计人员在设计和优化转子轮盘的过程中基本采用CAD、CAE及优化软件分别对轮盘进行造型设计、模型参数化、计算分析及参数优化。由于软件之间互相独立，设计人员均采用人工对模型进行参数化、软件之间的数据传递及参数设置，这种方式不仅容易出错，而且效率低下，对人员素质要求很高。随着计算机技术的发展，研究CAD/CAE/MDO系统集成技术，建立相关自动优化平台已成为提高轮盘优化设计质量与效率的有效途径和应对日趋激烈的市场竞争的迫切需要。
　　在此背景下，本文以企业实际需求和产学研用合作开发项目为依托，建立燃气轮机轮盘多目标优化平台，实现优化流程的集成化和自动化。通过对系统集成方法的研究，提出了以 CAD为中心的CAD\CAE\MDO系统集成框架，解决了传统MDO解决方案只能以中性文件交换信息，导致高层设计信息丢失，难以实现有效集成的问题。并以主流软件NX、Ansys和Isight为基本平台，通过其各自的二次开发接口实现了轮盘自动优化过程。其中在NX平台上通过NXOPEN开发友好的交互界面，对轮盘模型进行自动参数化及尺寸标注；在Ansys平台上通过APDL参数化语言建立自动的结构分析流程；在Isight平台上通过 Isight Developer开发工具及建立各软件间的数据接口来驱动轮盘的自动优化过程。
　　实例测试表明，通过本平台构建燃气轮机转子轮盘截面轮廓曲线参数化模型，并以关键几何参数为设计变量，径向位移差值及重量最小为优化目标，驱动平台组件自动进行轮盘结构CAE分析和迭代寻优，获得了影响轮盘性能与结构轻量化的关键设计因素，实现了燃气轮机转子轮盘的自动优化设计，可以有效地提高燃气轮机优化设计的效率，缩短产品开发周期，为设计师完成轮盘优化设计提供了极大的便利。

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第一章 绪论

1.1 燃气轮机轮盘优化设计的发展及研究现状

1.2 多目标优化问题

1.3 CAD/CAE/MDO系统集成技术

1.4 课题的研究背景、意义及研究内容

第二章 燃气轮机轮盘优化平台总体设计及开发平台

2.1 系统需求分析

2.2 系统总体设计方案

2.3 系统开发平台及开发方法介绍

2.4 本章小结

第三章 轮盘参数化设计的实现及关键技术

3.1 面向CAD/CAE集成的参数化解决方案

3.2基于几何约束的参数化设计

3.3 基于曲线偏置的参数化设计

3.4 基于草图的模型自动参数化

3.5 其它辅助功能的实现

3.6 本章小结

第四章 自动优化设计流程的实现

4.1自动优化流程的设计

4.2核心优化组件设计

4.3核心分析组件设计

4.4 本章小结

第五章 燃气轮机轮盘优化实例

5.1 燃气轮机轮盘多目标优化平台运行实例

5.2 燃气轮机轮盘优化模型

5.3 优化结果与分析

5.4 轮盘优化结果分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间完成的学术论文