压气机叶轮的有限元分析与优化设计
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文主要工作4
2 叶轮静强度分析4
2.1 有限元法概述4
2.2 有限元法基本步骤5
2.3 ANSYS软件概述5
2.4 ANSYS软件功能5
2.5 叶轮几何模型的建立6
2.6 建立叶轮有限元模型7
2.7 加载和求解11
2.8 查看结果 13
2.9 计算结果及分析13
2.10 本章小结 14
3 正交试验法分析与优化 14
3.1 概述 14
3.2 正交试验法分析与优化15
3.3 正交表设计15
3.4 有限元分析结果设计16
3.5 基于Minitab的结果分析17
3.6 确定参数优化组合24
结论 26
致谢 27
参考文献28
1 绪论
1.1 研究背景
20世纪30年代末Frank Whittle和Hansvon Ohain陆续发明了喷气发动机，人类社会进入了一个崭新的时代——喷气时代[1]。经过这么多年来坚持不懈的发展，发动机的性能逐渐得到改善。作为飞机的心脏，它在高温、高压、高转速的恶劣环境中反复使用并直接影响飞机的性能、可靠性及经济性。它是一个国家军事装备水平、科技、工业和综合国力的重要体现。以前我国的发动机基本上是购买前苏联的并进行仿造生产，直到2005年，我国自主研发的大 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
推力、高推重比的涡轮发动机“太行”计划顺利启动。
无论是航空技术先进的西方发达国家，还是在中国，压气机的研制一直是现代航空发动机设计中至关重要的问题[2]。当然，不仅在航空上，车辆涡轮增压器、各行各业广泛使用的离心风机，都是压气机在各领域中运用的具体实例。它广泛应用于航天、矿山开采、建筑、机械制造、能源、冶金等方面。作为发动机重要的组成部件，它接受涡轮的输出功对流过它的空气连续做功来提高空气的压力。
1.2 研究意义
压气机按其产生压缩气体的压力范围，可分为通风机（< 0.01MPa表压）、鼓风机（0.01-0.3MPa表压）和压缩机（> 0.3MPa表压）三大类。压气机按其构造和工作原理的不同，可分为活塞式和叶片式（又称离心式和轴流式）两类。通风机和鼓风机都是叶轮式的，压缩机可以是叶轮式或活塞式的。叶轮式压气机和活塞式压气机的工作原理虽然不同，但从热力学观点来看，气体的状态变化过程几乎没什么不同，都是接受外功使气体压缩升压的过程。
压气机最主要的部件是工作叶轮，它的作用是利用高速旋转的叶片给空气做功来提高空气的压力，即把机械能转化为气体的内能和压力能，对它的要求主要是效率高并有足够的强度，因此合理的叶轮结构便是获得较高压缩压力的基础。
压气机叶轮的受力情况很复杂，由气动力产生的热应力比较小，通常可以忽略不计，主要的载荷便是高速旋转所产生的离心力和气流通过叶轮通道时而产生的气动力载荷。随着科学技术的迅速发展，人们对压气机叶轮的要求也逐渐提高，这使以参数优化为目的的强度分析越发重要。本文以压气机叶轮作为研究对象并对其进行有限元分析，研究压气机叶轮的主要应力分布特点及其变形情况，然后对叶轮进行参数优化，使得优化后的结构强度足够、制造成本低。然而国内外学者的研究，为研究叶轮提供了有力的依据。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究
张虹、马朝臣[3]用有限元分析软件对车用涡轮增压器压气机叶轮的应力分布特点
进行研究，首先确定了增压器压气机叶轮应力集中的位置，其次修改其参数来减小应力集中现象，最后深入研究了叶片气动载荷和温度场对叶片应力的影响。
童正明、刘金龙[4]通过有限元强度分析和有限元模态分析，得到压气机叶轮的应力分布特点。有限元计算结果表明，材料强度并不是造成轮盘边缘断裂的原因。
杨建[5]借助有限元软件ANSYS对叶轮进行不同转速下的模态分析，获得不同转速下压气机叶轮的固有频率并得出叶轮共振时的激振频率和转速，同时对叶轮进行优化设计，优化后的叶轮能够顺利避免共振的发生。
杨国旗，杨迪[6]等以涡轮增压器J92涡轮叶轮为研究对象，在不改变涡轮叶轮叶
型的基础上对涡轮轮毂厚度等方面进行结构优化，在减少涡轮重量的同时，提高了转
子的快速响应性。
李娜[7]讨论了压气机叶片的静态和动态特性的组合优化技术。以参数化驱动技术为
平台，将压气机叶轮设计与分析中很多步骤自动集成，为后续优化设计提供了参数化
驱动技术。
吴荣仁、宣海军[8]等用弹塑性有限元法对压气机叶轮经超速实验后的应力分布特
点进行计算，确定了叶轮的最佳超速转速。
谢蓉、关亮[ *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
9]等针对国内某离心压缩机叶轮叶片，运用流固耦合技术对设计工况
下的叶片的应力应变进行计算分析后得出结论：应力应变异常区域与叶片实际发生断
裂部分相一致。
龚宝龙、李剑锋[10]等采用非定常数值模拟方法，观察离心式空气压缩机叶轮内部
的流场分布情况。研究显示最大静压力处于压力面后缘，最大相对速度处于叶片的入口处；短叶片对阻止回流有着显著效果。长叶片的压力面前缘压力波动情况最严重，后缘次之，叶片中部压力波动最薄弱。
黄若、孟令广[11]等为了获得某新型压气机叶轮的低周疲劳强度极限，应用大型有限元分析软件ANSYS，考虑离心应力对其的影响并运用周期循环模型，对叶轮进行强度分析与计算，得到叶轮应力—转速曲线，确定了叶轮低周疲劳试验转速。
汪杰[12]结合压气机叶轮的结构特点，用NURBS（非均匀有理B样条）确定压气机叶轮的几何参数分布，并通过C语言进行UG的二次开发，完成压气机叶轮造型系统程序的编写。
左志涛、朱阳历[13]等通过数值计算获得了压气机的特性曲线以及一些重要参数的
分布曲线，得出压气机性能受静叶间隙影响的结论，利用静叶间隙泄漏流改善静叶端壁的流动状况能提高压气机气动性能和工作稳定性。
王宏亮、席光[14]以离心压气机叶轮设计参数对其强度性能的影响为研究目标，讨
2.2 有限元法基本步骤
1）构建研究对象的有限元模型。在进行有限元分析的时候，几乎很难把研究对象的全部特征都考虑进去，为了减少计算量提高工作效率，多数情况下研究人员需要简化研究对象，比如可以简化几何模型。
2）将研究对象模型分割为有限数量的单元。把研究对象分解成有限数量的组成部分，这些组成部分的形式形同，这个过程也称为离散化。
3）用标准方法对每个单元提出一个近似解。研究者分析出基本单元的行为并提出求解的办法，能通过计算机编程从而求解单元。
4）把所有单元组合成和原来系统近似的系统。把单元组装成一个和它近似的系统，在几何形状和性能方面能够近似的代表研究对象。通过对近似系统的分析，能够基本了解研究对象的性能特征，得到某种标准的组装方法，用计算机程序组装数目巨大的单元。
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文主要工作4
2 叶轮静强度分析4
2.1 有限元法概述4
2.2 有限元法基本步骤5
2.3 ANSYS软件概述5
2.4 ANSYS软件功能5
2.5 叶轮几何模型的建立6
2.6 建立叶轮有限元模型7
2.7 加载和求解11
2.8 查看结果 13
2.9 计算结果及分析13
2.10 本章小结 14
3 正交试验法分析与优化 14
3.1 概述 14
3.2 正交试验法分析与优化15
3.3 正交表设计15
3.4 有限元分析结果设计16
3.5 基于Minitab的结果分析17
3.6 确定参数优化组合24
结论 26
致谢 27
参考文献28
1 绪论
1.1 研究背景
20世纪30年代末Frank Whittle和Hansvon Ohain陆续发明了喷气发动机，人类社会进入了一个崭新的时代——喷气时代[1]。经过这么多年来坚持不懈的发展，发动机的性能逐渐得到改善。作为飞机的心脏，它在高温、高压、高转速的恶劣环境中反复使用并直接影响飞机的性能、可靠性及经济性。它是一个国家军事装备水平、科技、工业和综合国力的重要体现。以前我国的发动机基本上是购买前苏联的并进行仿造生产，直到2005年，我国自主研发的大 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
推力、高推重比的涡轮发动机“太行”计划顺利启动。
无论是航空技术先进的西方发达国家，还是在中国，压气机的研制一直是现代航空发动机设计中至关重要的问题[2]。当然，不仅在航空上，车辆涡轮增压器、各行各业广泛使用的离心风机，都是压气机在各领域中运用的具体实例。它广泛应用于航天、矿山开采、建筑、机械制造、能源、冶金等方面。作为发动机重要的组成部件，它接受涡轮的输出功对流过它的空气连续做功来提高空气的压力。
1.2 研究意义
压气机按其产生压缩气体的压力范围，可分为通风机（< 0.01MPa表压）、鼓风机（0.01-0.3MPa表压）和压缩机（> 0.3MPa表压）三大类。压气机按其构造和工作原理的不同，可分为活塞式和叶片式（又称离心式和轴流式）两类。通风机和鼓风机都是叶轮式的，压缩机可以是叶轮式或活塞式的。叶轮式压气机和活塞式压气机的工作原理虽然不同，但从热力学观点来看，气体的状态变化过程几乎没什么不同，都是接受外功使气体压缩升压的过程。
压气机最主要的部件是工作叶轮，它的作用是利用高速旋转的叶片给空气做功来提高空气的压力，即把机械能转化为气体的内能和压力能，对它的要求主要是效率高并有足够的强度，因此合理的叶轮结构便是获得较高压缩压力的基础。
压气机叶轮的受力情况很复杂，由气动力产生的热应力比较小，通常可以忽略不计，主要的载荷便是高速旋转所产生的离心力和气流通过叶轮通道时而产生的气动力载荷。随着科学技术的迅速发展，人们对压气机叶轮的要求也逐渐提高，这使以参数优化为目的的强度分析越发重要。本文以压气机叶轮作为研究对象并对其进行有限元分析，研究压气机叶轮的主要应力分布特点及其变形情况，然后对叶轮进行参数优化，使得优化后的结构强度足够、制造成本低。然而国内外学者的研究，为研究叶轮提供了有力的依据。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究
张虹、马朝臣[3]用有限元分析软件对车用涡轮增压器压气机叶轮的应力分布特点
进行研究，首先确定了增压器压气机叶轮应力集中的位置，其次修改其参数来减小应力集中现象，最后深入研究了叶片气动载荷和温度场对叶片应力的影响。
童正明、刘金龙[4]通过有限元强度分析和有限元模态分析，得到压气机叶轮的应力分布特点。有限元计算结果表明，材料强度并不是造成轮盘边缘断裂的原因。
杨建[5]借助有限元软件ANSYS对叶轮进行不同转速下的模态分析，获得不同转速下压气机叶轮的固有频率并得出叶轮共振时的激振频率和转速，同时对叶轮进行优化设计，优化后的叶轮能够顺利避免共振的发生。
杨国旗，杨迪[6]等以涡轮增压器J92涡轮叶轮为研究对象，在不改变涡轮叶轮叶
型的基础上对涡轮轮毂厚度等方面进行结构优化，在减少涡轮重量的同时，提高了转
子的快速响应性。
李娜[7]讨论了压气机叶片的静态和动态特性的组合优化技术。以参数化驱动技术为
平台，将压气机叶轮设计与分析中很多步骤自动集成，为后续优化设计提供了参数化
驱动技术。
吴荣仁、宣海军[8]等用弹塑性有限元法对压气机叶轮经超速实验后的应力分布特
点进行计算，确定了叶轮的最佳超速转速。
谢蓉、关亮[ *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
9]等针对国内某离心压缩机叶轮叶片，运用流固耦合技术对设计工况
下的叶片的应力应变进行计算分析后得出结论：应力应变异常区域与叶片实际发生断
裂部分相一致。
龚宝龙、李剑锋[10]等采用非定常数值模拟方法，观察离心式空气压缩机叶轮内部
的流场分布情况。研究显示最大静压力处于压力面后缘，最大相对速度处于叶片的入口处；短叶片对阻止回流有着显著效果。长叶片的压力面前缘压力波动情况最严重，后缘次之，叶片中部压力波动最薄弱。
黄若、孟令广[11]等为了获得某新型压气机叶轮的低周疲劳强度极限，应用大型有限元分析软件ANSYS，考虑离心应力对其的影响并运用周期循环模型，对叶轮进行强度分析与计算，得到叶轮应力—转速曲线，确定了叶轮低周疲劳试验转速。
汪杰[12]结合压气机叶轮的结构特点，用NURBS（非均匀有理B样条）确定压气机叶轮的几何参数分布，并通过C语言进行UG的二次开发，完成压气机叶轮造型系统程序的编写。
左志涛、朱阳历[13]等通过数值计算获得了压气机的特性曲线以及一些重要参数的
分布曲线，得出压气机性能受静叶间隙影响的结论，利用静叶间隙泄漏流改善静叶端壁的流动状况能提高压气机气动性能和工作稳定性。
王宏亮、席光[14]以离心压气机叶轮设计参数对其强度性能的影响为研究目标，讨
2.2 有限元法基本步骤
1）构建研究对象的有限元模型。在进行有限元分析的时候，几乎很难把研究对象的全部特征都考虑进去，为了减少计算量提高工作效率，多数情况下研究人员需要简化研究对象，比如可以简化几何模型。
2）将研究对象模型分割为有限数量的单元。把研究对象分解成有限数量的组成部分，这些组成部分的形式形同，这个过程也称为离散化。
3）用标准方法对每个单元提出一个近似解。研究者分析出基本单元的行为并提出求解的办法，能通过计算机编程从而求解单元。
4）把所有单元组合成和原来系统近似的系统。把单元组装成一个和它近似的系统，在几何形状和性能方面能够近似的代表研究对象。通过对近似系统的分析，能够基本了解研究对象的性能特征，得到某种标准的组装方法，用计算机程序组装数目巨大的单元。
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