基于参数建模的涡轮盘结构优化方法

一、优化目标

      涡轮盘是航空发动机的关键部件，其结构强度关系着发动机的安全性。随着现代航空发动机对性能要求的不断提高，涡轮盘向着质量轻、温度高和转速高的方向发展，对轮盘强度设计提出更高的要求，基于参数化建模的结构优化设计方法成为涡轮盘设计的重要手段。这里展示对某型号涡轮盘的参数化优化设计过程。

                                            涡轮盘优化案例1                                                             涡轮盘优化案例2

二、优化方法

      构建参数化涡轮盘模型，设计合理的参数约束和目标函数，通过MOGA算法进行结构优化，获得最优的涡轮盘结构。

      MOGA算法一种基于Pareto最优概念的多目标遗传算法。通过对代表整个解集的种群进行优化，以并行方式搜索非劣解，最终得到的种群中包含多个Pareto最优解，或者是最接近Pareto最优解的非劣解，决策者可以在这些解中结合特定的偏好信息来选择决策方案。MOGA算法具有通用性强、稳健性好和易于并行计算等优点。

三、优化流程

      首先结合工程实际提取轮盘主要设计参数，并在UG中构建优化对象的参数化模型。在草图中需要对尺寸参数添加合理的几何约束。

     然后，在Ansys Workbench平台的Direct Optimize模块中添加应力约束和质量约束等条件，并添加优化目标。选择合适的优化算法（如MOGA算法）和算例数量，对涡轮盘进行优化计算。

      最后，结合实际工况条件下的仿真验证，在优化算法给出的推荐模型中选择接近优化目标的设计方案。

      本例中，在保证涡轮盘质量不变的条件下，优化后结构明显降低了涡轮盘榫齿根部的应力集中，使得涡轮盘应力分布更加均匀，提高涡轮盘材料的利用率。