气冷涡轮叶片榫接结构拓扑设计方法

本发明涉及发动机涡轮叶片设计领域，尤其涉及一种气冷涡轮叶片榫接结构拓扑设计方法。

背景技术：

1、涡轮动叶是航空发动机中的核心部件，负责将燃气产生的能量转化为机械能，从而驱动整个发动机的工作。在涡轮动叶中，榫接结构作为连接叶片和轮盘的部件，起着至关重要的作用。它不仅承受着高温、高压、高转速等极端工作环境的考验，还是叶片和轮盘之间传递力量的关键环节。

2、榫接结构的强度和稳定性直接影响着涡轮动叶的工作性能和使用寿命。如果榫接结构设计不合理或者存在制造缺陷，就可能导致叶片在高速旋转时发生脱落，造成严重的安全事故。因此，对于榫接结构的研究和优化一直是航空发动机领域的重要课题。

3、在实际生产和制备中，榫接结构的参数化定义必须满足标准以及加工性，为此，在进行榫接结构参数时，参考了中国航空行业标准(hb5965-2002)对榫接结构进行了参数化。

4、而根据近几年对榫接结构的研究，发展了一系列的可用于工程实际的榫接结构参数化生成以及优化方法，具有代表性的是rolls-royce公司系统地研究了枞树形榫头/榫槽结构的优化设计技术，并认为优化设计在该结构的设计过程中起着十分重要的作用。结合智能计算机辅助设计系统(icad)和有限元分析，应用多种优化算法对枞树形榫头/榫槽结构进行优化，整个设计过程是由程序自动完成的。初始模型来自rolls-royce公司提供的现有榫头/榫槽结构。初始结构用近20个参数描述，仅由直线段和圆弧组成。在研究了这些几何参数对接触边界应力分布的影响后，将它们分为两部分，一部分参数对应力分布有较大影响，作为设计变量；另一部分对应力分布影响很小，作为常量处理，通常由经验决定。在此基础上wenbin song对榫齿的形状优化进行了进一步的研究，指出传统的榫头/榫槽结构仅由直线和圆弧组成，当需要降低齿与叶根体或轮缘过渡区域的应力时就必须增大过渡区域的圆弧半径，这样就减小了齿的接触长度，导致齿面压应力增加，同时结构的面积(重量)也增加。而使用样条曲线来描述过渡区域的形状将较好地解决这一系列的问题，并且可得到更长的疲劳寿命，但同时也将增加制造的难度。

技术实现思路

1、本发明针对现有榫接结构设计复杂，制造困难的问题，提出一种气冷涡轮叶片榫接结构拓扑设计方法，所述方法包括：

2、s1：根据输入参数和三点二阶贝塞尔曲线方法获取倒角结构；

3、s2：采用四点三阶贝塞尔曲线方法生成顶部区域的圆角；

4、s3：根据倒角结构、顶部区域的圆角、切削角以及榫头长度确定三维榫接结构；

5、s4：根据榫接结构参数化标准和三维榫接结构生成榫接结构参数化几何；

6、s5：根据拉普拉斯和代数法处理榫接结构参数化几何，获取榫接结构的二维结构化网格；

7、s6：根据切削角对二维网格进行拉伸，获得三维榫接结构的结构化网格。

8、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s1中所述参数包括折合倒角半径r，贝塞尔曲线控制点个数nbesir，控制点关键数据pleng，多余点平动指令pflag。

9、进一步的，还提出一种优选方式，所述榫接结构拓扑设计方法还包括榫头参数化生成：

10、根据榫齿周向角度φ确定榫齿接触中心线；

11、根据榫齿接触中心点沿着中心线方向的距离，确定每个榫齿的接触中心点位置；

12、根据每个榫齿以榫接结构的半接触长度、方向角、内外圆角确定每个榫齿的几何；

13、根据叶片数以及根部宽度数据，确定榫头的整体尺寸、叶片的数量和大小。

14、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s1包括：

15、采用贝塞尔曲线生成圆弧：

16、

17、其中，pi为控制点位置矢量，wi为第i个控制点的权重，曲线的形态通过pi与wi共同控制，bi,n(t)为伯恩斯坦基函数；

18、当曲线由3点2阶贝塞尔曲线组成，采用贝塞尔曲线生成倒角，其中，倒角的半径r为：

19、r＝r×cos(tht)

20、其中，tht为圆弧半径所对夹角。

21、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s2包括：

22、在圆角的边缘上确定圆角起始点和终止点，所述起始点为第一控制点，所述终止点为第四控制点；

23、在起始点和终止点之间选择两个控制点；

24、根据第二个控制点与第一个控制点的距离与折合倒角半径r的比例，以及第三个控制点与第四个控制点的距离与半径r的比例确定圆角的大小和形状；

25、将四个控制点输入至三阶贝塞尔曲线公式，生成顶部区域的圆角曲线。

26、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s5包括：

27、根据榫接结构的参数化几何，将网格划分为若干四边形；

28、利用代数方法，将四边形网格建模为一个简化的拉普拉斯方程；

29、求解所述拉普拉斯方程，获得粗略网格；

30、对粗略网格采用网格加密算法进行优化，获得最终榫接结构的二维结构化网格。

31、进一步的，还提出一种优选方式，所述拉普拉斯方程包括：

32、

33、其中，pi0为网格节点的坐标值向量；n为与该网格节点相邻的网格节点数；pij为与该网格节点相邻的网格节点坐标值向量。

34、进一步的，还提出一种优选方式，所述n＝4。

35、基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据上述任一项中所述的气冷涡轮叶片榫接结构拓扑设计方法。

36、基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于储存计算机程序，所述计算机程序执行上述任一项所述的气冷涡轮叶片榫接结构拓扑设计方法。

37、本发明的有益之处在于：

38、本发明提出的气冷涡轮叶片榫接结构拓扑设计方法，采用三点二阶贝塞尔曲线方法获取倒角结构，以及四点三阶贝塞尔曲线方法生成顶部区域的圆角，利用了数学曲线的优势，可以精确地描述复杂的曲面形状，从而简化了榫接结构的设计过程。在实际应用中，可灵活地调整曲线的控制点，以满足不同形状和尺寸的需求，同时保持结构的平滑性和美观性。通过根据倒角结构、顶部区域的圆角、切削角以及榫头长度等参数确定三维榫接结构，实现了对结构形状的灵活控制。结合榫接结构参数化标准和几何处理方法，可以根据不同的设计要求和制造条件，自动生成符合标准的榫接结构几何模型，大大提高了设计效率和准确性。利用拉普拉斯和代数法处理榫接结构参数化几何，获取榫接结构的二维结构化网格，然后根据切削角对二维网格进行拉伸，获得三维榫接结构的结构化网格。这种方法可以有效地处理复杂结构的网格生成问题，保证了榫接结构在实际制造和使用中的稳定性和可靠性，同时减少了后续加工和调整的工作量。

39、本发明提出的气冷涡轮叶片榫接结构拓扑设计方法中，采用的贝塞尔曲线方法能够有效地描述复杂的曲线形状，使得倒角结构和顶部区域的圆角可以根据输入参数得到，并具有较高的光滑度和连续性。将多个设计参数综合考虑，确定三维榫接结构，能够满足气冷涡轮叶片的具体要求，同时保证结构的强度和稳定性。根据榫接结构的特征和参数化标准，将三维榫接结构转化为参数化几何模型。这样可以方便地对结构进行修改和优化，提高设计效率和准确性。通过数学方法对参数化几何进行处理，得到二维结构化网格，为后续的网格生成和分析提供了基础。通过对二维网格进行切削角度的调整和拉伸，将其转化为三维结构化网格，这一步骤将榫接结构从理论设计转化为实际制造，确保结构的精度和可制造性。