一种双层壁冷却结构单元外壁热应力预估方法

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种双层壁冷却结构单元外壁热应力预估方法。

背景技术：

1、在涡轮叶片双层壁冷却结构的设计过程中，热应力分析是评估该结构强度的关键步骤，现有技术是基于有限元分析(fea)技术，首先在三维建模软件中生成几何模型，使用网格划分软件将几何模型离散为网格，将网格导入数值模拟求解软件中，在软件中定义好与相应的约束和载荷，通过数值模拟计算评估其热应力。但是对于双层壁冷却结构这类拓扑结构复杂、结构变量尺度相差大的几何结构，使用fea进行精确的数值模拟需要耗费大量的计算资源和时间成本，这导致设计人员无法及时得到反馈，迭代效率低，设计周期长。

2、因此，如何提高涡轮叶片双层壁冷却结构的热应力分析效率，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明为解决现有涡轮叶片双层壁冷却结构的评估方法存在耗费大量的计算资源和时间成本，导致无法及时得到反馈数据，迭代效率低以及设计周期长等问题，提供一种双层壁冷却结构单元外壁热应力预估方法。

2、一种双层壁冷却结构单元外壁热应力预估方法，该方法由以下步骤实现：

3、步骤一、建立双层壁冷却结构单元几何模型；

4、通过测量典型涡轮叶片确定关键结构变量的参数范围，获得多组几何参数的组合，建立若干个双层壁冷却结构单元几何模型；

5、步骤二、温度场计算；

6、在步骤一获得的若干个双层壁冷却结构单元几何模型中选取典型涡轮叶片上不同区域的工况，通过计算流体力学数值模拟软件进行数值求解，获得温度场数据；

7、步骤三、应力场计算；

8、在已知温度场的情况下，采用有限元分析数值模拟软件进行数值求解，获得等效应力场数据；

9、步骤四、数据预处理；

10、将在非结构网格节点上存储的温度场数据和应力场数据存储插值到均匀网格节点上。首先提取几何模型的长宽厚三个维度的尺度特征，生成均匀三维网格，再使用最近邻采样或者线性插值方法进行插值，最后得到数据集；

11、步骤五、卷积神经网络(cnn)的训练和预测；

12、将步骤四获得的数据集划分为训练集和测试集，采用训练集对卷积神经网络进行训练直到卷积神经网络模型收敛，选用平均绝对误差和均方误差作为指标，采用测试集对卷积神经网络模型进行验证，获得涡轮叶片双层壁冷却结构上壁热应力预测模型。

13、本发明的有益效果：本发明对涡轮叶片双层壁冷却结构单元，在已知固体温度场的情况下，快速评估结构单元外壁的热应力。

14、本发明通过卷积神经网络建立涡轮叶片双层壁冷却结构外壁的温度场和应力场之间的映射关系，训练好网络模型后，对于不同结构参数和工况参数下的涡轮叶片双层壁冷却结构，输入温度场能够快速预测结构外壁的应力场。而现有技术在针对涡轮叶片双层壁冷却结构外壁进行热应力分析上需要进行建模、网格划分、数值计算等流程，计算量大，耗费资源多，计算时间长。本发明可以显著降低热应力分析的时长，节省计算资源，具有更高的效率。

技术特征：

1.一种双层壁冷却结构单元外壁热应力预估方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

2.根据权利要求1所述的一种双层壁冷却结构单元外壁热应力预估方法，其特征在于：步骤一中确定的关键结构变量的参数范围限定为：

3.根据权利要求1所述的一种双层壁冷却结构单元外壁热应力预估方法，其特征在于：步骤二中，在计算流体力学数值模拟过程中，对双层壁冷却结构几何模型产生网格，使用非结构化网格生成方法，在软件中设置好网格参数后，执行网格划分；采用fluent求解器，选用雷诺平均法模拟几何结构的流动和耦合换热过程，湍流模型选用基于湍流动能k和耗散率ω输运方程的剪切应力输运模型，湍流模型的其他参数被设置为求解器的默认值；边界设置为周期边界，所述双层壁冷却结构包含流体域和固体域两部分，固体域包括冲击气膜冷气结构外壁。

技术总结
一种双层壁冷却结构单元外壁热应力预估方法，涉及航空发动机领域，解决现有涡轮叶片双层壁冷却结构的评估方法存在耗费大量的计算资源和时间成本，导致无法及时得到反馈数据，迭代效率低以及设计周期长等问题。本发明通过建立双层壁冷却结构单元几何模型、温度场计算、应力场计算、数据预处理以及卷积神经网络的训练和预测等步骤实现，本发明对涡轮叶片双层壁冷却结构单元，在已知固体温度场的情况下，快速评估结构单元外壁的热应力。本发明可以显著降低热应力分析的时长，节省计算资源，具有更高的效率。

技术研发人员：朱剑琴,黄俊杰,陶智,邱璐,程泽源,王燕嘉
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15