本发明提供一种基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，即一种面向工程需求的基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，属于机械设计领域。
背景技术：
高推重比是现代高性能航空发动机所追求的主要指标之一，以发动机质量最小为目标的优化设计越来越受到重视，而转子系统的优化对于整个发动机来说尤为重要。现在发动机中的压气机转子一般为整体式焊接转子，进行单盘优化往往不能满足要求。目前，国内外已有关于压气机转子结构优化设计的研究，但通常优化设计要考虑多种约束条件，如几何尺寸、应力、破裂转速和疲劳寿命等，给优化设计带来很大困难，有时可能达不到收敛或者得到的不是最优解。同时，如果不使用优化设计方法，而先在子午面设计软件和三维设计软件中建立多级轮盘转子几何构型，然后在有限元分析软件中建立多级轮盘结构有限元模型进行强度评估，再根据结构设计要求，反复进行结构几何模型修改和强度评估以达到优化设计目的。采用这种方法进行设计费时费力。因而需要建立一种面向工程需求的基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，来实现多级轮盘转子结构的优化设计，减少人力资源成本和缩短设计周期。
技术实现要素：
(一)本发明的目的
本发明的目的是提供一种面向工程需求的基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，根据设计需求，通过鼠标拖动改变多级轮盘子午面几何构型，并自动显示多级轮盘子午面几何构型控制点、多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值、多级轮盘结构质量、有限元分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速，以此来判断是否符合设计需求，该方法可以实现多级轮盘优化设计，提高多级轮盘结构设计效率，减少人力资源。
(二)技术方案
本发明是一种基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，即一种面向工程需求的基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，其具体步骤如下：
步骤一：输入多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值，输入该坐标值可以通过以下方式，首先利用计算机辅助设计(即cad)建立多级轮盘几何构型，根据设计图纸在cad软件中建立模型，对于模型中的曲线要进行处理，使其由多个直线段来代替，同时鉴于多级轮盘子午面几何构型比较复杂，给有限元网格划分带来很大困难，这就需要对多级轮盘子午面几何构型进行分块处理，然后在cad软件中分别对每一块利用“属性提取”(即“eattext”)命令来得到多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值，输出excel表格数据，其次导入每一块的excel表格数据，并对数据进行排序，使相邻多级轮盘子午面几何构型控制点连续围成一个封闭图形；根据输入的每一块数据自动拼接生成多级轮盘子午面几何构型，并显示多级轮盘子午面几何构型控制点以及将多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值显示在表格中；
步骤二：对多级轮盘子午面几何构型进行多级轮盘结构轴对称有限元模型的建立，其具体作法如下；
首先，对每一块进行三角形单元网格划分；
其次，合并块与块之间重复的三角形单元节点；
然后，对所有块的三角形单元节点和单元网格进行重新编号；
最后，输出节点编号及其对应的坐标和单元网格编号及其构成的节点编号；
步骤三：对建立的多级轮盘轴对称有限元模型进行结构分析，其具体作法如下；
首先，将建立的多级轮盘轴对称有限元模型导入有限元计算分析程序中，定义相应的材料参数，给定转速、温度、轮缘载荷以及位移约束条件，通过静力分析得到多级轮盘结构的应力分布以及多级轮盘结构质量，注意关注多级轮盘应力集中位置(如盘心)处应力水平；
其次，根据应力应变分析结果以及材料参数，计算获得多级轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速；
最后，根据有限元应力应变分析结果以及材料疲劳参数，利用考虑应力集中和尺寸效应影响的寿命方程获得多级轮盘转子结构的疲劳寿命；
步骤四：根据设计需求，首先通过对多级轮盘子午面几何构型需要优化的位置进行放大和平移变换，然后对多级轮盘子午面几何构型需要优化位置的控制点通过鼠标拖动来改变多级轮盘子午面几何构型并自动进行多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值显示、多级轮盘结构轴对称有限元模型建立和有限元计算分析，显示多级轮盘结构的质量、有限元分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速等；对调整好位置的多级轮盘子午面几何构型控制点可以进行固定，使其不能被拖动；根据需要对已固定的多级轮盘子午面几何构型控制点可以进行释放，使其继续能被拖动；对需要关注的位置，根据需要能够插入多级轮盘子午面几何构型控制点并可以进行拖动；经过对多级轮盘子午面几何构型控制点拖动、固定、释放以及插入，最终获得满足设计需求的多级轮盘子午面几何构型并输出cad模型；
其中，在步骤一中所述的“eattext”，是指cad软件的一个属性提取命令，它可以得到多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值并输出excel表格数据；
其中，在步骤一中所述的“excel”，是指扩展名为.xls的数据文件；
其中，在步骤一中所述的“分块处理”，是指将多级轮盘子午面几何构型分成多个简单的几何构型，便于有限元网格划分；
其中，在步骤一中所述的“多级轮盘子午面几何构型”，是指多级轮盘子午面几何图形；所述的“多级轮盘子午面几何构型控制点”，是指确定多级轮盘子午面几何构型的数据点；所述的“控制点坐标值”，是指确定多级轮盘子午面几何构型数据点的横坐标与纵坐标；
其中，在步骤二中所述的“多级轮盘结构轴对称有限元模型”，是指对多级轮盘子午面几何构型进行三角形单元网格划分，最终获得由三角形单元网格组成的模型；所述的“结构化网格”，是指四边形单元网格；所述的“节点编号”，是指对组成三角形单元网格的所有节点从“1”开始顺序编号；所述的“单元网格编号”，是指对组成几何模型的三角形单元网格从“1”开始编号；
其中，在步骤三中所述的“考虑应力集中影响的寿命方程”，表达式如下：
εa表示应变幅值，y表示应力梯度影响因子，m表示应力梯度影响指数，c为尺寸因子，α为尺寸效应影响指数，ψ表示断面收缩率，σb表示拉伸强度极限，e表示弹性模量，b表示疲劳强度指数，r′表示局部应变比，γ表示材料常数，c表示疲劳延性指数；所述的“多级轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速”，其含义分别为多级轮盘在旋转条件下沿子午面破裂或者变形达到不允许程度时的转速和多级轮盘在旋转条件下沿径向破裂或者变形达到不允许程度时的转速，计算方法如下：
ωmax表示多级轮盘转子最大物理转速，
其中，在步骤四中所述的“设计需求”，是指在多级轮盘转子工程设计中对多级轮盘结构质量和强度的限制要求，其中强度包含关键位置应力、多级轮盘转子疲劳寿命、子午面破裂转速和径向破裂转速等；所述的“调整好位置”，是指拖动轮盘子午面几何构型控制点后，该控制点位置能够使变化后的几何构型满足设计要求；所述的“需要关注的位置”，是指该位置几何形状发生变化，对轮盘结构疲劳寿命产生很大影响；
通过以上步骤，最终实现能够通过鼠标拖动多级轮盘子午面几何构型控制点，自动进行多级轮盘结构质量计算、应力应变分析、疲劳寿命预测、子午面破裂转速计算和径向破裂转速计算，同时还能够自动显示多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值变化，很大程度上提高多级轮盘结构设计工作效率，避免以往在设计时，采用的优化算法不稳健以及一改变方案就需要人为重新建模带来的时间和人力成本耗费。
(三)本发明的优点
本发明的优点在于：
(1)能够根据多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值自动生成多级轮盘子午面几何构型、多级轮盘子午面几何构型控制点显示、多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值表格显示、多级轮盘轴对称有限元模型建立、应力应变分析、疲劳寿命预测、子午面破裂转速计算和径向破裂转速计算等七部分操作，为改变多级轮盘子午面几何构型提供更直接更快速的参考依据，提高多级轮盘结构设计工作效率，减少人力成本消耗；
(2)对具有复杂形面的多级轮盘子午面几何构型能够实现分块处理，进而实现有限元网格划分；
(3)能够对多级轮盘子午面几何构型控制点进行拖动、固定和释放操作，实现多级轮盘结构设计；
(4)对需要关注的位置能够插入多级轮盘子午面几何构型控制点，实现多级轮盘结构设计。
(5)能够实现导出cad软件可识别的数据文件，便于在cad软件中出工程图，实现多级轮盘结构设计。
附图说明
图1是本发明所述的设计方法流程图。
图2是本发明所述的用户界面功能模块图。
图3是本发明所述的典型多级轮盘子午面几何构型。
图4是本发明所述的多级轮盘模型示意图。
图5a、b是本发明所述的多级轮盘模型局部放大示意图。
图6是本发明所述的鼠标拖动后多级轮盘模型局部放大示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
sx代表径向应力，sy代表轴向应力，sz代表周向应力，seqv代表等效应力。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明；本发明一种面向工程需求的基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，它是通过对多级轮盘子午面几何构型控制点进行拖动、固定、释放以及插入来改变多级轮盘子午面几何构型，并自动显示多级轮盘子午面几何构型控制点、多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值、多级轮盘结构质量、有限元应力分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速。
本发明一种基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，即一种面向工程需求的基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法，其流程图如图1所示，具体步骤如下：
步骤一：输入多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值，输入该坐标值可以通过以下方式，首先利用计算机辅助设计(即cad)建立多级轮盘几何构型，根据设计图纸在cad软件中建立模型，对于模型中的曲线要进行处理，使其由多个直线段来代替，同时鉴于多级轮盘子午面几何构型比较复杂，给有限元网格划分带来很大困难，这就需要对多级轮盘子午面几何构型进行分块处理，然后在cad软件中分别对每一块利用“属性提取”(即“eattext”)命令来得到多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值，输出excel表格数据，其次导入每一块的excel表格数据，并对数据进行排序，使相邻多级轮盘子午面几何构型控制点连续围成一个封闭图形；根据输入的每一块数据自动拼接生成多级轮盘子午面几何构型，并显示多级轮盘子午面几何构型控制点以及将多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值显示在表格中；
步骤二：对多级轮盘子午面几何构型进行多级轮盘结构轴对称有限元模型的建立，其具体作法如下；
首先，对每一块进行三角形单元网格划分；
其次，合并块与块之间重复的三角形单元节点；
然后，对所有块的三角形单元节点和单元网格进行重新编号；
最后，输出节点编号及其对应的坐标和单元网格编号及其构成的节点编号；
步骤三：对建立的多级轮盘轴对称有限元模型进行结构分析，其具体作法如下；
首先，将建立的多级轮盘轴对称有限元模型导入有限元计算分析程序中，定义相应的材料参数，给定转速、温度、轮缘载荷以及位移约束条件，通过静力分析得到多级轮盘结构的应力分布以及多级轮盘结构质量，注意关注多级轮盘应力集中位置(如盘心)处应力水平；
其次，根据应力应变分析结果以及材料参数，计算获得多级轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速；
最后，根据有限元应力应变分析结果以及材料疲劳参数，利用考虑应力集中和尺寸效应影响的寿命方程获得多级轮盘转子结构的疲劳寿命；
步骤四：根据设计需求，首先通过对多级轮盘子午面几何构型需要优化的位置进行放大和平移变换，然后对多级轮盘子午面几何构型需要优化位置的控制点通过鼠标拖动来改变多级轮盘子午面几何构型并自动进行多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值显示、多级轮盘结构轴对称有限元模型建立和有限元计算分析，显示多级轮盘结构的质量、有限元分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速等；对调整好位置的多级轮盘子午面几何构型控制点可以进行固定，使其不能被拖动；根据需要对已固定的多级轮盘子午面几何构型控制点可以进行释放，使其继续能被拖动；对需要关注的位置，根据需要能够插入多级轮盘子午面几何构型控制点并可以进行拖动；经过对多级轮盘子午面几何构型控制点拖动、固定、释放以及插入，最终获得满足设计需求的多级轮盘子午面几何构型并输出cad模型；
其中，在步骤一中所述的“eattext”，是指cad软件的一个属性提取命令，它可以得到多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值并输出excel表格数据；
其中，在步骤一中所述的“excel”，是指扩展名为.xls的数据文件；
其中，在步骤一中所述的“分块处理”，是指将多级轮盘子午面几何构型分成多个简单的几何构型，便于有限元网格划分；
其中，在步骤一中所述的“多级轮盘子午面几何构型”，是指多级轮盘子午面几何图形；所述的“多级轮盘子午面几何构型控制点”，是指确定多级轮盘子午面几何构型的数据点；所述的“控制点坐标值”，是指确定多级轮盘子午面几何构型数据点的横坐标与纵坐标；
其中，在步骤二中所述的“多级轮盘结构轴对称有限元模型”，是指对多级轮盘子午面几何构型进行三角形单元网格划分，最终获得由三角形单元网格组成的模型；所述的“结构化网格”，是指四边形单元网格；所述的“节点编号”，是指对组成三角形单元网格的所有节点从“1”开始顺序编号；所述的“单元网格编号”，是指对组成几何模型的三角形单元网格从“1”开始编号；
其中，在步骤三中所述的“考虑应力集中影响的寿命方程”，表达式如下：
εa表示应变幅值，y表示应力梯度影响因子，m表示应力梯度影响指数，c为尺寸因子，α为尺寸效应影响指数，ψ表示断面收缩率，σb表示拉伸强度极限，e表示弹性模量，b表示疲劳强度指数，r′表示局部应变比，γ表示材料常数，c表示疲劳延性指数；所述的“多级轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速”，其含义分别为多级轮盘在旋转条件下沿子午面破裂或者变形达到不允许程度时的转速和多级轮盘在旋转条件下沿径向破裂或者变形达到不允许程度时的转速，计算方法如下：
ωmax表示多级轮盘转子最大物理转速，
其中，在步骤四中所述的“设计需求”，是指在多级轮盘转子工程设计中对多级轮盘结构质量和强度的限制要求，其中强度包含关键位置应力、多级轮盘转子疲劳寿命、子午面破裂转速和径向破裂转速等；所述的“调整好位置”，是指拖动轮盘子午面几何构型控制点后，该控制点位置能够使变化后的几何构型满足设计要求；所述的“需要关注的位置”，是指该位置几何形状发生变化，对轮盘结构疲劳寿命产生很大影响；
本发明一种面向工程需求的基于几何特征驱动的多级轮盘转子结构交互式设计方法是通过用户界面来实现的，用户界面功能模块如图2所示，下面通过一个实例来说明用户界面的使用。
典型多级轮盘子午面几何构型如图3所示；
基于用户界面多级轮盘子午面几何构型交互式设计具体步骤如下：
步骤1：在cad软件中，根据图3建立多级轮盘子午面几何构型，对于模型中的曲线要进行处理，使其由多个直线段来代替，并对多级轮盘子午面几何构型进行分块处理，对每一块分别提取数据(点击插入|提取数据，在导出excel数据时只选择端点和起点)；
步骤2：在“输入/输出”模块中点击“输入cad数据”按钮，选择从cad导出的每一块几何构型的excel数据，每一块都进行三角形单元网格划分，对几何构型、excel数据和三角形单元网格进行拼接处理，多级轮盘子午面几何构型控制点数据自动显示在表格中，并在“关键点”模块中显示多级轮盘子午面几何构型以及多级轮盘子午面几何构型控制点，同时自动进行多级轮盘轴对称有限元模型建立，调用有限元计算程序进行静力分析，在“结果”模块中轮盘结构质量、疲劳寿命、子午面破裂转速和径向破裂转速以表格形式显示出来，并且默认显示多级轮盘周向应力分布，并且可以点击sx、sy、sz和seqv四个按钮来控制显示多级轮盘径向应力分布、轴向应力分布、周向应力分布和等效应力分布，多级轮盘模型如图4和图5a、b所示；
步骤3：在“关键点”模块中首先通过点击“缩放”按钮和“平移”按钮对多级轮盘子午面几何构型需要优化的位置进行缩放和平移变换，然后利用鼠标拖动多级轮盘子午面几何构型需要优化位置的控制点，多级轮盘子午面几何构型就会改变，多级轮盘轴对称有限元模型也跟着重新建立，在“输入/输出”模块中多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值也随着变化，在“结果”模块中多级轮盘结构质量、疲劳寿命、子午面破裂转速、径向破裂转速和应力分布也自动更新，拖动后多级轮盘模型如图6所示；
步骤4：在“关键点”模块中点击“固定控制点”按钮选择调整后的多级轮盘子午面几何构型控制点将其固定，即该控制点不能被拖动，当点击“释放控制点”按钮选择需要重新调整已被固定的多级轮盘子午面几何构型控制点，该控制点则可以被重新拖动；
步骤5：在“关键点”模块中点击“插入控制点”按钮选择需要插入多级轮盘子午面几何构型控制点位置相邻两个控制点，新多级轮盘子午面几何构型控制点就会在相邻两个控制点中间位置被插入，在“输入/输出”模块中新多级轮盘子午面几何构型控制点坐标值也将被自动插入相应位置，利用鼠标可以拖动该新增控制点；
步骤6：在“输入/输出”模块中点击“输出模型”按钮，将修改后的多级轮盘子午面几何构型导出cad脚本文件(.scr)；
步骤7：打开cad软件，点击管理|运行脚本，选择导出的脚本文件，修改后的模型将被成功导入cad软件中，在cad软件中输出工程图。