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SmartDO 結合 ANSYS 進行渦輪葉片流固耦合最佳化設計
2014-02-19
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前言

時至今日,渦輪葉片外型最佳化設計仍然是個非常困難的問題,特別是在同時考慮氣體動力與結構力學行為時。過去已有相當多的文獻單方面由氣體動力行為探討最佳翼型設計,然而在實際應用時可以發現,當葉片效率越高時,往往其結構強度與可靠度則越低,因此建構一個能同時整合參數化 CAD、計算流體力學與結構分析的系統有其必要,且通常要耗費相當的資源。


在本次 SmartDO eNews 中,我們將介紹如何使用 SmartDO 整合 ANSYS 進行渦輪葉片流固耦合最佳化設計。客戶在崴昊科技 (FEA-Opt technology) 技術團隊的幫助下,成功使用 DesignModeler 建立參數化模型、使用 CFX 與 Mechanical 建立流體力學與結構分析;再藉由 SmartDO 與 ANSYS Workbench 之間的整合,將原本設計的葉片提昇 14 % 的流量,並同時減少葉片在流體與機械運轉作用下的最大應力值。此結果證明SmartDO的求解器確實可比傳統求解器與方法得到更佳的結果,值得我們在將來做進一步的開發。

ANSYS Workbench 建構 CAD/CAE 整合系統

圖 1. 是由現有產品資料所重建的葉片幾何模型,此產品已正常使用多年並證明其可靠性但現在我們必須在不犧牲結構強度的情況下,修改葉片幾何外型來提升氣體動力的表現。

圖 1. 重建現有葉片幾何模型

我們使用 ANSYS DesignModeler (DM) 來建立葉片的參數化模型(DM 是 Workbench 內建的 CAD 工具),客戶經由在崴昊科技的協助建構一個約有 90 多個可控制參數的葉片模型。此模型可以準確地重製現有產品的葉片外型。


如圖 2,我們在 Workbench 內,將 DM 所建立的參數化模型與 CFX、Mechanical 模組進行連結,使之成為一個完整的 CAD/CAE 分析流程,然後將需要的參數傳遞至 Workbench 參數清單 (Parameter Set)。如圖 3 就是 Workbench 參數清單的內容,此清單內的所有參數都可以直接被 SmartDO/SmartLink 連結進行最佳化設計。

圖 2. Workbench CAD/CAE 整合系統

圖 3. Workbench 參數清單

在 CAD/CAE 整合系統完成後,可以非常輕易地與 SmartDO 連結進行全域最佳化設計。(可參考本公司電子報「SmartDO/SmartLink 直接串連 ANSYS Workbench 進行最佳化設計」「SmartDO 串連 ANSYS Workbench/CFD 進行最佳化設計」)

SmartDO 最佳化問題定義

雖然參數化模型的可控制參數有 90 多個,但依照客戶的經驗,我們只需要去控制 Tip、Middle、Root 截面的翼型 (Airfoil) 即可,如圖 4 。因此我們最佳化的變數主要以控制翼型外型的兩種概念為主:

  • 翼型的攻角與曲度。(主要影響氣體動力行為)
  • 翼型的厚度分布。(主要影響結構行為)

圖 4. Tip、Middle、Root 截面的翼型

如圖 5 所示,SmartLink 透過一張表單,便可將 Workbench 參數清單連結至 SmartDO,並完成最佳化問題的設定,其中我們最佳化問題的架構如下:

  • 設計變數 :
    • 翼型的攻角、曲度與厚度分布 (總共 9 個獨立的設計變數)
  • 目標函數 :
    • 最大化流量 (在固定的轉速下)
  • 限制條件 :
    • 最大應力值必須小於現有設計
    • 最大軸向位移量必須小於現有設計

圖 5. 將 Workbench 的參數匯入 SmartDO

SmartDO 總域最佳化提供產品重大改進

使用 SmartDO 的全域求解器,可以輕鬆地克服局部最佳值以及數值雜訊的問題,將原本設計的葉片提昇 14 % 的流量,並同時減少葉片在流體與慣性力作用下的最大應力值 (由原本 1884 MPa 變成 1820 MPa)。


如圖 6,是最佳化前後的等效應力分布;其逕向變形也從原本的 3.5 mm 減少至 3.0 mm。圖 7 至圖 9 是比較流體在 Tip、Middle、Root 截面附近造成的壓力分布圖;圖 10 是最佳化前後翼型形狀的比較。

圖 6. 等效應力分布圖 (左圖現有產品;右圖為最佳化結果)

圖 7. Root 截面流體壓力分佈圖

圖 8. Middle 截面流體壓力分佈圖

圖 9. Tip 截面流體壓力分佈圖

圖 10. 各截面翼型形狀比較

上述最佳化之結果提供了重要的設計變更方向。雖然葉片的實際成品還必須經過更多不同的實驗與分析,但在本次最佳化問題的架構下,SmartDO 確實提供了產品重大改善及革新方向。這樣的優勢足以證明SmartDO與客戶內部現存的CAE軟體為物超所值的投資。