(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211161394.X (22)申请日 2022.09.23 (71)申请人 湖南大学 地址 410000 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路1号 (72)发明人 任毅如　丁超　 (74)专利代理 机构 湖南岑信知识产权代理事务 所(普通合伙) 43275 专利代理师 刘洋 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/18(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/06(2020.01)G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 一种基于热力耦合的涡轮 盘结构优化方法 (57)摘要 本发明提供一种基于热力耦合的涡轮盘结 构优化方法， 以所述涡轮盘有限元分析模型中各 个单元的相对密度为设计变量建立拓扑优化模 型； 提取所述拓扑优化模型中单元的材料在不同 温度下的弹性模量， 并线性拟合为一次函数， 构 建优化域内任意单元的弹性模量与设计变量的 映射关系， 将结构的拓扑优化问题 转换为材料的 最优分布问题； 计算优化域内所有单元的灵敏 度， 对灵敏度进行归一化及过滤处理， 将处理后 的灵敏度进行排序得到数组， 对数组进行更新； 设置迭代终止判断条件， 当结构体积满足设计要 求并达到收敛标准时， 输出优化结构， 完成涡轮 盘结构优化设计。 本发明提供的优化方法， 在满 足涡轮盘结构的轻量化设计同时提高了轮盘结 构的整体刚度性能。 权利要求书2页 说明书6页 附图7页 CN 115392094 A 2022.11.25 CN 115392094 A 1.一种基于热力耦合的涡轮 盘结构优化方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1： 建立简化的涡轮盘空间几何模型， 结合航空发动机的实际工况条件， 构建涡轮盘有 限元分析模型； S2： 以所述涡轮盘有限元分析模型中各个单元的相对密度为设计变量， 以结构总柔度 最小为优化目标， 以体积作为约束条件建立拓扑优化模型； S3： 提取所述拓扑优化模型中单元的材料在不同温度下的弹性模量， 并线性拟合为一 次函数fE(T)， 构建优化域内任意单元的弹性模量E(i)与设计变量xi的映射关系， 将结构的 拓扑优化问题转换为材料的最优分布问题， 任意单元的弹性模量E(i)与设计变量xi的映射 关系表示 为： E(i)＝fE(T)·f(xi)E0 fE(T)＝214.5 ‑0.069T 式中， E0表示所述拓扑优化模型中实体单元的弹性模量； fE(T)表示温度与弹性模量线 性拟合的函数， 由该材料在温度为20℃、 100℃、 200℃、 300℃、 400℃、 500℃、 600℃、 700℃、 800℃、 900℃和1000℃下 的弹性模量线性拟合而成； f(xi)为材料插值函数， 作用是为了让 设计变量xi逼近0‑1分布； T为所述拓扑优化模型中单 元的温度， p为插值 函数的惩罚系数； S4： 计算优化域内所有单元的灵敏度， 对灵敏度进行归一化及过滤处理， 将处理后的灵 敏度进行排序得到数组， 对数组进行 更新； S5： 设置迭代终止判断条件， 当结构体积满足设计要求并达到收敛标准时， 输出优化结 构， 完成涡轮 盘结构优化设计。 2.根据权利要求1所述的基于热力耦合的涡轮盘结构优化方法， 其特征在于， 所述涡轮 盘结构包括位于中心的盘体以及沿盘体分布的多个叶片， 所述步骤S1中 “建立简化的涡轮 盘空间几何模型 ”具体为： 采用去除叶片并施加等效节点力的方法模拟叶片对盘体的作用， 对涡轮盘的空间几何模型进行简化。 3.根据权利要求1所述的基于热力耦合的涡轮盘结构优化方法， 其特征在于， 所述拓扑 优化模型表示 为： 式中， C(X)为结构耦合场下的总应变能， U为结构总位移矩阵， K为结构总刚度矩阵， T表 示矩阵的转置， N为整个优化域内所有单元个数， ui为优化域内任意 单元的位移矩阵， ki为优 化域内任意单元的刚度矩阵， V(X)为结构优化后的总体积， V0为结构优化前的总体积； F为 优化域的总载荷， 为与温度无关的单元节点外载荷， 为由温度变化引起的单元节 点热权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115392094 A 2载荷， xi为设计变量， 表示优化域内任意单元 的相对密度， 取值在[xmin,1]之间， xmin表示设 计变量xi的最小值， X表示优化 域内所有单 元相对密度的集 合， R表示实数集。 4.根据权利要求1所述的基于热力耦合的涡轮盘结构优化方法， 其特征在于， 所述步骤 S4中“将处理后的灵敏度进行排序得到数组， 对数组进行 更新”具体包括如下步骤： S41： 计算 最大单元删除数Cycle； S42： 对优化域内所有单元的灵敏度值进行排序得到数组， 并以第Cycle个单元对应的 灵敏度值作为阈值； S43： 将优化域内所有单元的灵敏度值与阈值作比较， 若该单元的灵敏度值大于阈值， 则该单元对应的设计 变量值增加一个步长值； 若否， 则减少一个步长值； S44： 筛选并保留设计 变量大于 0.5的单元， 删除其 他单元， 完成数组的更新。 5.根据权利要求4所述的基于热力耦合的涡轮盘结构优化方法， 其特征在于， 单元灵敏 度αi的计算过程 为： 式中， ui表示单元i的位移 矩阵， ki表示单元i的刚度矩阵， fi表示单元i的载荷。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115392094 A 3