葉片參數(shù)優(yōu)化的案例
基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真的離心式人工心臟泵葉片參數(shù)優(yōu)化
3.5 模型優(yōu)化后的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能
在上述仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)葉片出口角度、葉片出口寬度、葉片厚度和分流葉片對(duì)離心式人工心臟泵的剪切應(yīng)力分布、水力性能的影響進(jìn)行了研究，得到了一組性能較好的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
表1 優(yōu)化模型的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖10為優(yōu)化后的葉輪三維模型與泵的裝配剖視圖。將優(yōu)化模型與基礎(chǔ)模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后模型葉輪表面的最大剪切應(yīng)力為455Pa，基礎(chǔ)模型葉輪表面的最大剪切應(yīng)力約為584.7Pa，優(yōu)化后葉輪表面的最大剪切應(yīng)力降低了22%。此外，優(yōu)化后的葉輪揚(yáng)程約為114.6mmHg，基礎(chǔ)模型葉輪的揚(yáng)程約為119.1mmHg，兩者揚(yáng)程均能滿足人工心臟泵的使用要求，且優(yōu)化后的葉輪揚(yáng)程更接近100mmHg，更符合設(shè)計(jì)的需求。
圖10
4 結(jié)論
本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究了不同葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)下的離心式心室輔助泵的剪切應(yīng)力分布、水力性能變化，發(fā)現(xiàn)葉片形狀對(duì)泵的剪切應(yīng)力分布、水力性能有較大影響。直葉片較后彎葉片有較大的揚(yáng)程，但存在更大的剪切應(yīng)力。當(dāng)葉片出口角度較小時(shí)，葉片表面及泵內(nèi)剪切應(yīng)力較大；當(dāng)葉片出口角度過大時(shí)，由于葉片前緣向前傾斜，不利于前緣處流體的運(yùn)動(dòng)，剪切應(yīng)力反而增大。
葉片出口寬度與泵的揚(yáng)程呈正相關(guān)的關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)需要配合蝸殼前后間隙綜合考慮，避免影響泵內(nèi)血液流動(dòng)狀態(tài)而發(fā)生溶血。葉片厚度較小時(shí)，葉片表面及泵內(nèi)剪切應(yīng)力較大，適當(dāng)增大葉片厚度可以有效降低葉片緣剪切應(yīng)力分布。
分流葉片在增加輔助泵的揚(yáng)程的同時(shí)也會(huì)引起葉片表面的剪切應(yīng)力增大，適用于低轉(zhuǎn)速下需要增加水力性能需求的葉輪設(shè)計(jì)。在本文研究范圍內(nèi)，葉片出口角度β2=60°、葉片出口寬度b2=6mm、葉片厚度δ=2.5mm且沒有分流葉片的葉輪性能更好。
文章來源：工具技術(shù)
展開 PIDO智能仿真 | 基于optiSLang的渦輪葉片多學(xué)科耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)
如下圖：綠色為推薦的優(yōu)化算法，黃色為可以使用的優(yōu)化算法，紅色為不推薦的優(yōu)化算法。設(shè)計(jì)人員無需具備專業(yè)優(yōu)化算法知識(shí)也可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)！
3、成功案例：渦輪氣膜冷卻葉片參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
以NASA C3X渦輪葉片為例，該葉片包含一個(gè)位于前緣的冷卻通道，需要在冷卻通道頭部添加3排氣膜冷卻孔，輸入參數(shù)為各排氣膜孔的直徑與射流角度；優(yōu)化目標(biāo)為葉片表面的最大溫度和平均溫度最低，同時(shí)葉片的熱應(yīng)力和熱變形盡可能的小。
NASA C3X氣膜冷卻渦輪葉片與內(nèi)部流體域
該問題是典型的流熱固耦合仿真，我們首先在Workbench平臺(tái)下搭建仿真流程：包含幾何模型前處理、流體域/固體域網(wǎng)格劃分、流場(chǎng)/溫度場(chǎng)求解和結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力/熱變形分析。通過基于Ansys的流熱固耦合分析可得葉片的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力/變形結(jié)果。在此基礎(chǔ)之上提取輸入參數(shù)：3排氣膜孔各自的直徑、射流角度共6個(gè)參數(shù)；優(yōu)化目標(biāo)量：葉片表面最大溫度/平均溫度、葉片最大熱應(yīng)力/應(yīng)變共4個(gè)參數(shù)。
經(jīng)過optiSLang的采樣計(jì)算、元模型構(gòu)建，基于高精度的元模型自動(dòng)對(duì)輸入/輸出參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感度分析并生成相關(guān)性矩陣。軟件會(huì)自動(dòng)選擇對(duì)輸出結(jié)果影響較大的輸入參數(shù)作為后續(xù)優(yōu)化對(duì)象，這里自動(dòng)排除了對(duì)結(jié)果影響微弱的第二排氣膜孔角度和第三排氣膜角度，并生成了各個(gè)主要輸入參數(shù)與輸出參數(shù)間的元模型（MOP）。
展開 PIDO智能仿真 | 基于optiSLang的渦輪葉片多學(xué)科耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)
在此基礎(chǔ)之上提取輸入參數(shù)：3排氣膜孔各自的直徑、射流角度共6個(gè)參數(shù)；優(yōu)化目標(biāo)量：葉片表面最大溫度/平均溫度、葉片最大熱應(yīng)力/應(yīng)變共4個(gè)參數(shù)。
經(jīng)過optiSLang的采樣計(jì)算、元模型構(gòu)建，基于高精度的元模型自動(dòng)對(duì)輸入/輸出參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感度分析并生成相關(guān)性矩陣。軟件會(huì)自動(dòng)選擇對(duì)輸出結(jié)果影響較大的輸入參數(shù)作為后續(xù)優(yōu)化對(duì)象，這里自動(dòng)排除了對(duì)結(jié)果影響微弱的第二排氣膜孔角度和第三排氣膜角度，并生成了各個(gè)主要輸入參數(shù)與輸出參數(shù)間的元模型（MOP）。
基于生成的高精度元模型，軟件自動(dòng)選擇適合于該問題的優(yōu)化算法——遺傳優(yōu)化算法（Evolutionary Algorithm）進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。下圖為以葉片表面最高溫度值和平均溫度值為最優(yōu)先目標(biāo)量的帕累托圖（Pareto），用戶可據(jù)此選擇合適的設(shè)計(jì)點(diǎn)作為最終優(yōu)化結(jié)果。這里選擇帕累托邊緣曲線上葉片表面最高溫度值最小的點(diǎn)162號(hào)作為最終優(yōu)化結(jié)果）。
根據(jù)元模型優(yōu)化得到的設(shè)計(jì)點(diǎn)代入到初始仿真流程中進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，并得到經(jīng)過驗(yàn)證確認(rèn)的最終優(yōu)化結(jié)果。可見基于元模型（MOP）所得優(yōu)化結(jié)果與最終驗(yàn)證結(jié)果非常接近（溫度誤差均小于0.5K），相比于初始設(shè)計(jì)，葉片表面最高溫度和平均溫度分別降低了1K和7K。
Ansys為渦輪設(shè)計(jì)工程師提供基于Workbench的葉片流熱固耦合解決方案，在此基礎(chǔ)上還可通過Ansys optiSLang進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化和穩(wěn)健性分析。Ansys將助力用戶獲得性能最優(yōu)的渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)結(jié)果！
展開 12/9 案例分析：旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)
本案例主要介紹了基于Ansys專門優(yōu)化軟件optiSLang、旋轉(zhuǎn)機(jī)械氣動(dòng)仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical對(duì)某軸流風(fēng)扇葉片進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化的過程；優(yōu)化目標(biāo)為在固定轉(zhuǎn)速和背壓條件下，盡可能增大風(fēng)扇流量并保證風(fēng)扇的最大應(yīng)力不超過限定值。通過該案例可掌握在Ansys軟件體系下進(jìn)行風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)、仿真和多學(xué)科優(yōu)化的一般流程和方法。
渦輪壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的形狀優(yōu)化
在渦輪發(fā)電機(jī)中，葉輪的形狀對(duì)發(fā)電機(jī)的效率至關(guān)重要，如何通過優(yōu)化葉輪形狀獲得高發(fā)電效率是渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中重要的步驟。modeFRONTIER通過集成轉(zhuǎn)子葉片，定子葉片的CFD分析來優(yōu)化葉片的剖面，提高了發(fā)電機(jī)的效率。
渦輪壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的形狀優(yōu)化
在渦輪發(fā)電機(jī)中，葉輪的形狀對(duì)發(fā)電機(jī)的效率至關(guān)重要，如何通過優(yōu)化葉輪形狀獲得高發(fā)電效率是渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中重要的步驟。modeFRONTIER通過集成轉(zhuǎn)子葉片，定子葉片的CFD分析來優(yōu)化葉片的剖面，提高了發(fā)電機(jī)的效率。
葉片/翼型參數(shù)化造型技術(shù)
前些年這些詞還是多目標(biāo)優(yōu)化、大數(shù)據(jù)、雙碳等等。
科研圈的詞匯貶值速度也是很快的。大家摻大模型進(jìn)去了，你還沒摻，這不是落后了嗎。
實(shí)際上真到了設(shè)計(jì)制造中，又必須一步步從二維開始做，還要不斷的優(yōu)化，直至達(dá)到目標(biāo)。
以葉片和機(jī)翼為例，從仿真到風(fēng)洞，不斷對(duì)二維葉型/翼型進(jìn)行迭代優(yōu)化。為什么實(shí)際型號(hào)中要死磕二維呢？
原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)橄啾热S，二維是心里最有底的，無論試驗(yàn)可靠性還是成本都是能托底的。問題到了三維復(fù)雜構(gòu)型以后，可能影響到設(shè)計(jì)指標(biāo)的東西太多了，牽一發(fā)而動(dòng)全身。有時(shí)候改了不如不改。
這種情況，在二維階段就要求設(shè)計(jì)師對(duì)各種幾何參數(shù)的特點(diǎn)以及其對(duì)氣動(dòng)特性影響規(guī)律要非常熟悉，當(dāng)指標(biāo)達(dá)不到的時(shí)候依靠經(jīng)驗(yàn)知道往什么方向改。
類似于結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域，很多人遇到啥問題都把它簡(jiǎn)化成梁，然后很快就能知道這個(gè)東西的大致規(guī)律。差生文具多，文具多也可能導(dǎo)致差，因?yàn)樵綇?fù)雜的理論模型，越不容易摸到規(guī)律。
本期聊聊作為入門的基礎(chǔ)的，葉片/翼型參數(shù)化造型技術(shù)。
葉/翼型參數(shù)知多少
我剛開始接觸這個(gè)東西，最讓驚訝的就是一個(gè)看起來平平無奇的翼型，竟然有那么多幾何參數(shù)，有些是造型用的，有些是造完型計(jì)算出來的。
1. 弦長(zhǎng)
弦長(zhǎng)：翼型通常理解為二維機(jī)翼，它前端圓滑，尖點(diǎn)稱為后緣；翼型上距后緣最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為前緣；連接前后緣的直線稱為翼弦(chord)，其長(zhǎng)度稱為弦長(zhǎng)。如下圖所示：
2. 中弧線
中弧線：指和上翼面、下翼面相切的公切圓的圓心的軌跡
3. 安裝角
安裝角：弦線與額線之間的夾角。簡(jiǎn)單理解就是弦線與x軸的夾角。如下圖所示：
4. 進(jìn)口幾何角
進(jìn)口幾何角：翼型中弧線在前緣點(diǎn)A處的切線與額線的夾角。
展開 水泵葉片形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)
參數(shù)（葉片的內(nèi)外側(cè)高度，內(nèi)外側(cè)的半徑），使得水泵的總壓比最大。采用拉丁方采樣方法，利用MOGA和RSM響應(yīng)面法得到滿意的優(yōu)解。
葉片參數(shù)化模型設(shè)計(jì)
葉片參數(shù)化模型設(shè)計(jì)
作者：安旭
對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片進(jìn)行參數(shù)化建模分兩部分，對(duì)Hub和Shroud建模以及對(duì)Blade建模。
Blade建模由Hub和Shroud間多個(gè)位置2D葉形蒙皮成形(默認(rèn)兩個(gè)section，Hub位置上S1、Shroud位置上S2，S1、S2徑向位置由REF_TRACE_HUB_R、REF_TRACE_TIP_R決定)。2D葉形包含中位線，壓力面及吸力面。中位線包含參數(shù)葉片長(zhǎng)度REF_LENGTH，安裝角度CAMBER_GAMMA，金屬角CAMBER_BETA1、CAMBER_BETA2，前緣半徑LE_REDIUS，后緣半徑TE_REDIUS。具體位置如圖：
葉片壓力面吸力面決定參數(shù)包含：控制點(diǎn)數(shù)PTNUM，伸展系數(shù)FACT，每個(gè)控制點(diǎn)到中位線距離TSS_N,TPS_N,后緣傾斜角TE_WEDGE_ANGLE，如圖：
PTNUM控制Tss數(shù)量。壓力面及吸力面都是Bezeir曲線，由C1, C2, Cn-1, Cn, Tss(n) 控制，直線C1C2垂直中位線端點(diǎn)，長(zhǎng)度取4倍LE_REDIUS。直線Cn-1Cn與后緣圓相切，且與中位線尾端呈1/2 TE_WEDGE_ANGLE。FACT系數(shù)控制Tss點(diǎn)及Cn-1點(diǎn)在中位線上位置。
參數(shù)NB決定葉片數(shù)量。
另一種葉片構(gòu)型方法為11參數(shù)法，11參數(shù)法對(duì)軸流機(jī)2D輪廓進(jìn)行建模。
展開 余能回收水輪機(jī)葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)與性能研究
設(shè)計(jì)過程中通過改變包角曲線實(shí)現(xiàn)葉片骨線的控制，變化幅度可定量設(shè)定。葉片骨線參數(shù)化設(shè)計(jì)流程見圖1，計(jì)算過程見表1。
圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程
表1 參數(shù)化設(shè)計(jì)計(jì)算表
為降低微型余能回收水輪機(jī)的生產(chǎn)難度和成本，對(duì)過流部件適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了優(yōu)化，余能回收水輪機(jī)全流道仿真模型僅包括蝸殼、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管，如圖2所示。
圖2 余能回收水輪機(jī)全流道模型
某輸水管網(wǎng)末端壓力較高，經(jīng)測(cè)量可利用壓頭約31m，平均流量為720/h，采用余能回收水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電回收富裕的能量。基于一元理論得到軸面流線并分為若干段，然后按照參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)每個(gè)微元段進(jìn)行計(jì)算，最終得到葉片骨線坐標(biāo)。按等厚度規(guī)律對(duì)骨線加厚并對(duì)翼型進(jìn)出口邊倒圓得到葉片翼型如圖3，設(shè)計(jì)得到的葉片骨線包角曲線如圖4。
圖3 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程
圖4 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程
水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口速度矩分布對(duì)性能有影響，為達(dá)到降低出口平均速度矩的目的，擬增加葉片出口邊靠近上冠側(cè)骨線包角。修改前、后葉片骨線參數(shù)曲線變化如圖5，不同流面層上葉片骨線的包角是均勻變化的，改后葉片骨線仍然保持光滑，見圖6。
展開 4/26 Ansys電子散熱風(fēng)扇葉片優(yōu)化
內(nèi)容簡(jiǎn)介
每個(gè)HFSS新版本，對(duì)高速SerDes和DDR仿真的求解精度、速度和功能上都有大量更新。妥善使用，可以大大提高仿真效率和研發(fā)效果，加快產(chǎn)品迭代，提高行業(yè)領(lǐng)先性。
面向受眾
芯片封裝PCB的SIPI仿真工程師，硬件設(shè)計(jì)工程師。
時(shí)間
2022年4月26日（周二）16:00-17:00
費(fèi)用
免費(fèi)
講師簡(jiǎn)介
周小俠|Ansys
Ansys中國CPS團(tuán)隊(duì)高級(jí)應(yīng)用工程師。負(fù)責(zé)芯片封裝系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的支持和研究工作。本碩就讀于電子科技大學(xué)電磁場(chǎng)專業(yè)。先后就職于長(zhǎng)虹、CST China，摩托羅拉和思科，分別從事雷達(dá)天線設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)仿真軟件支持
4/21 Ansys電子散熱風(fēng)扇葉片優(yōu)化
內(nèi)容簡(jiǎn)介
本課程將通過實(shí)際案例介紹Ansys Turbosystem產(chǎn)品在電子散熱風(fēng)扇方面的優(yōu)化功能。針對(duì)不同類型的散熱風(fēng)扇，Ansys提供基于OptiSLang的參數(shù)化葉型優(yōu)化方法和基于Fluent的無參伴隨求解優(yōu)化方法，用戶可通過本次視頻課程了解這2種方法的基本使用流程和適合的風(fēng)扇類型，初步掌握它們的核心方法和操作步驟。
時(shí)間
2022年4月21日（周四）16:00-17:00
費(fèi)用
免費(fèi)
講師簡(jiǎn)介
姚翔|Ansys
獲北京航空航天大學(xué)飛行器動(dòng)力專業(yè)學(xué)士及碩士學(xué)位；2019加入Ansys中國負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軟件產(chǎn)品的售前技術(shù)支持及咨詢工作。
展開 基于特征的離心泵葉片參數(shù)化三維造型
介紹了pro/e二次開發(fā)的方法,對(duì)離心泵葉片三維參數(shù)化造型進(jìn)行研究并建立特征模型。利用定義了參數(shù)和拓?fù)潢P(guān)系的離心泵葉片的pro/e模型文件,通過二次開發(fā)工具pro/TOOLKIT對(duì)模型文件中定義參數(shù)進(jìn)行訪問,最終完成離心泵葉片的參數(shù)化三維造型
基于特征的離心泵葉片參數(shù)化三維造型.pdf
Isight多學(xué)科參數(shù)優(yōu)化軟件模塊構(gòu)成 附isight參數(shù)優(yōu)化理論和實(shí)例詳解下載
運(yùn)行門戶（Runtime Gateway）
監(jiān)控和后處理界面，可以繪制多種曲線、曲面、散點(diǎn)圖、柱狀圖、表格等，結(jié)果運(yùn)行完成后生成Summary報(bào)告給出優(yōu)化運(yùn)行時(shí)間、最優(yōu)結(jié)果及設(shè)計(jì)變量、約束等用戶關(guān)心的問題。提供設(shè)計(jì)空間可視化（VDD）、工程數(shù)據(jù)挖掘（EDM）等后處理功能。
組件庫（Library/Add-OnComponent）
包含通用和專用的CAD/CAE及自編軟件接口。
優(yōu)化算法庫（Optimization）
數(shù)值優(yōu)化、全局優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化、專家智能優(yōu)化算法，是工程師開展設(shè)計(jì)優(yōu)化工作的利器。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)算法庫（DOE, Design OfExperiments）
通過系統(tǒng)而有效的方法分析設(shè)計(jì)空間、篩選關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)（減少問題規(guī)模）、評(píng)估設(shè)計(jì)變量影響以及辨別關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量的交互影響關(guān)系。
近似模型算法庫（Approximation）
對(duì)于計(jì)算代價(jià)高昂的CAE分析，Isight用多種近似原理構(gòu)造替代模型，減少優(yōu)化中調(diào)用大規(guī)模CAE分析計(jì)算的次數(shù)，提高優(yōu)化效率。近似模型還用于剔除輸入參數(shù)平緩變化而輸出參數(shù)卻劇烈振蕩的仿真噪音。
質(zhì)量設(shè)計(jì)優(yōu)化（Quality Desgin）
運(yùn)用隨機(jī)仿真和優(yōu)化理論（包括：蒙特卡洛仿真、Taguchi田口穩(wěn)健性設(shè)計(jì)和基于6Sigma可靠性分析和穩(wěn)健性設(shè)計(jì)DFSS，Design For Six Sigma），構(gòu)成一個(gè)完整的、公式化的對(duì)可靠性和穩(wěn)健性進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)的品質(zhì)設(shè)計(jì)哲學(xué)框架。
下載地址：isight參數(shù)優(yōu)化理論和實(shí)例詳解
展開 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
按產(chǎn)生推進(jìn)動(dòng)力的原理不同飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)又可分為間接反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)和直接反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)兩類
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì).doc
