[0001] 本发明涉及涡轮发动机领域，具体涉及一种性能件设计方法。

[0002] 预旋喷嘴是航空发动机高压涡轮单元体的重要零部件之一，属于大型薄壁环状件。预旋喷嘴位于燃烧室和高压涡轮之间。预旋喷嘴用于为下游的涡轮转子提供预旋的冷
却气体。预旋喷嘴是一种具有内外环薄壁结构的环形件，其结构复杂，叶片高度小，是发动机零部件中制造难度最大的零件之一。相关技术中，采用铸造工艺制造预旋喷嘴，这种方法成品率低，周期长。

[0003] 在预旋喷嘴的设计阶段，对于预旋喷嘴的优化，采用流固耦合优化方法。该方法为：建立结构优化模型、气动性能优化模型以及中间平台。中间平台用来传递结构模型和流场边界。具体优化步骤为：先进行结构优化，将优化后的结构作为气动性能优化的输入；然后进行气动性能优化，优化后的流场边界作为结构优化的输入，再进行结构优化。如此往复迭代。

[0004] 发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：这种往复迭代得优化方法，每次迭代都需要重新建立结构和性能分析的网格模型，计算成本高，设计效率低。

[0043] 下面结合图1～图10对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

[0044] 本发明实施例提供一种性能件设计方法，用于实现性能件1的设计。性能件1包括以下其中之一：预旋喷嘴、压气机的导向叶片、涡轮的导向叶片、燃油喷嘴。

[0045] 参见图1，该性能件设计方法包括以下步骤：

[0046] 步骤S100、确定性能件1的固体分析域和流体分析域。

[0047] 性能件1的固体分析域对应了性能件1的实体结构。性能件1的流体分析域则是进入到性能件1中、或者流经性能件1部分区域的流体所在的区域。以预旋喷嘴为例，参见图2、图3和图4，气体沿着箭头S0所示意的方向流入到预旋喷嘴的空腔中。预旋喷嘴的薄壁壳体
对应的是固体分析域S1；预旋喷嘴的流入口和流出口处各有一片流体分析域S2。

[0048] 步骤S200、建立性能件1的固体分析域的三维网格模型。

[0049] 性能件1的固体分析域确定之后，可以采用有限元分析等方式建立固体分析域的三维网格模型。

[0050] 步骤S300、根据固体分析域的三维网格模型，得到流体分析域的三维网格模型。

[0051] 在上述的步骤S300中，可以采用多种方式根据固体分析域的三维网格模型、得到流体分析域的三维网格模型。由于在得到流体分析域的三维网格模型的过程中，所依据的
参数是固体分析域的三维网格模型中的节点处参数，这样就使得固体分析域的三维网格模
型和流体分析域的三维网格模型不是相互独立的模型，而是存在节点关联。这样就省去了
再额外设计辅助模型，来建立流体分析域的三维网格模型和固体分析域的三维网格模型的
步骤，且使得整个设计方法更加高效。

[0052] 参见图5，在一些实施例中，步骤S300具体包括以下步骤：

[0053] 步骤S301、从固体分析域的三维网格模型中提取固体分析域用于和流体分析域交界的面网格，并将该面网格作为共用网格；

[0054] 步骤S302、建立流体分析域的二维网格，并将二维网格与共用网格节点重合，以得到流体分析域整体的、封闭的二维网格模型。

[0055] 参见图6所示，图6为得到的流体分析域的封闭的二维网格。在图5中，虚线和实线共同代表了性能件1的流体分析域的边界，其中虚线M11、M12、M13为流体分析域的入口边
界。虚线M21、M22、M23为流体分析域的出口边界。实线M31和M32对应流体分析域和固体分析域共用的边界。

[0056] 步骤S303、根据流体分析域的整体二维网格模型，得到流体分析域的三维网格模型。可以采用已知技术实现二维网格向三维网格模型的转换。

[0057] 步骤S400、建立固体分析域的三维网格模型和流体分析域的三维网格模型交界处的网格节点的对应关系。

[0058] 在固体分析域的三维网格模型和流体分析域的三维网格模型交界处的网格节点是共用节点，在三维网格模型中，共用节点具有相同的坐标参数。固体分析域的三维网格模型和流体分析域的三维网格模型交界面上的网格节点一一对应。对于任何一对对应的网格
节点来说，其中一个网格节点的参数发生改变后，另一个网格节点的参数也会同步变化。这种变化即为固体分析域的三维网格模型和流体分析域的三维网格模型交界处的网格节点
的对应关系。

[0059] 步骤S500、设计得到性能件1的三维模型。

[0060] 在一些实施例中，在步骤S500之后，性能件设计方法还包括以下步骤：

[0061] 步骤S600、验证性能件1的三维模型是否符合工艺要求；

[0062] 步骤S700、打印符合工艺要求的性能件1的三维模型，以得到性能件1。

[0063] 导出满足增材制造设备格式要求的预旋喷嘴几何模型，并进行工艺验证，工艺验证满足要求后，完成性能件1的加工制造，至此完成了性能件1从设计到制造的全过程。上述技术方案提供的性能件设计方法，可采用增材制造成型，以解决传统铸造工加工制造成品
率低和周期长的问题，但不限于增材制造工艺的加工制造。采用增材制造工艺成型，可以拓宽优化设计空间，实现复杂结构的性能件1的设计和表面局部改进设计。增材制造技术以金属粉末为原料，通过激光熔化/快速凝固逐层沉积“生长制造”，由零件CAD模型一步完成全致密、高性能钛合金结构件的技术。

[0064] 参见图7，在另一些实施例中，在上文介绍的步骤S300之前，性能件设计方法还包括以下步骤：

[0065] 步骤S210、根据性能件1的减重需求，确定性能件1的待优化区域。可以采用拓扑优化的方法对待优化区域进行设计。对于每个性能件1来说，减重可以根据设计需要进行设定。以预旋喷嘴为例，拓扑优化区域选择非气动型面的内层网格。拓扑优化技术是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布，或者传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重
量最轻的设计。

[0066] 步骤S220、对待优化区域，进行去除材料的设计或者填充。参见图8，区域Y1为拓扑优化区域，对该区域进行掏空处理。该区域为预旋喷嘴的实体内部，掏空后基本不会影响预旋喷嘴的强度，并且不会影响预旋喷嘴的气动性能，还可以实现预旋喷嘴的轻量化。如果产品的重量过轻或者去除材料后强度有所下降，也可以根据需要对空区域进行填充。填充的具体方式可以采用网格填充。

[0067] 在一些实施例中，在步骤S300之前，该性能件设计方法还包括以下步骤：

[0068] 步骤S230、根据性能件1的受力情况，确定性能件1的待加强区域；

[0069] 步骤S240、增加待加强区域的材料厚度。

[0070] 上述的步骤S210和步骤S230不限定先后执行顺序。参见图9，图9示意了进行局部加强后的模型，其中待加强区域Y2处的材料厚度得以增加，这使得这个区域的强度得以增
加。

[0071] 继续参见图7，在步骤S400之后，该性能件设计方法还包括以下步骤：

[0072] S410、确定性能件1的优化目标参数。优化目标比如为性能件1的性能、重量、承载能力、强度等。对于预旋喷嘴而言，优化目标主要为预旋喷嘴的性能和强度。

[0073] S420、根据优化目标参数，迭代优化固体分析域的三维网格模型和流体分析域的三维网格模型。

[0074] 上述技术方案，在建立固体分析域的三维网格模型和流体分析域的三维网格模型交界处的网格节点的对应关系之后，根据优化目标参数进行迭代优化，不仅实现了性能件1的实体分析域和固体分析域的耦合，而且在迭代过程中，不需要重新构建流体分析域的三
维分析网格和固体分析域的三维分析网格，同时可以根据结构强度或者减重需要，在优化
过程中额外生成加强结构和质量密度低的栅格填充结构，以满足性能件1不同区域的不同
性能需求。

[0075] 可见，上述技术方案提供的性能件设计方法，结合了增材制造工艺的优点，并且在涉及过程中实现了性能件1的减重和局部加强，迭代更为简单，不需要重复构建流体分析域的三维分析网格和固体分析域的三维分析网格，设计效率高，设计得到的性能件1的三维模型结构更加优化，后续制造得到的成品率高。增材技术代表着先进制造技术的发展方向，对复杂结构零件的制造有着突出的优势。在发动机的零部件设计中，结合增材制造工艺和优化技术，拓宽了发动机零部件的设计空间。

[0076] 参见图10，下面以性能件1为航空发动机上的预旋喷嘴为例，介绍一种具体的实现方式。预旋喷嘴是发动机供气系统的一部分，主要为涡轮叶片提供预旋的冷却气体。

[0077] 步骤S1.确定预旋喷嘴结构流体分析域和固体分析域。如图4所示，固体分析域S1对应预旋喷嘴的实体结构。流体分析域S2对应预旋喷嘴流入口、流出口处的流体所在的区
域以及通孔所对应的区域。

[0078] 步骤S2.建立固体分析域三维网格模型。可以采用有限元分析软件，得到固体分析域的三维网格模型。三维网格模型包括很多个网格节点，每个网格节点具有相对确定的三
维位置参数。

[0079] 步骤S3.提取固体分析域与流体分析域交界面处的实体网格的面网格。固体分析域的三维网格模型确定之后，该三维网格模型上各个网格节点的坐标都是确定的。结合预
旋喷嘴的结构特点，预旋喷嘴的通孔的壁面是固体分析域和流体分析域的交界面，该交界
面对应的固体分析域的三维网格模型上的网格节点可以同步作为流体分析域的网格节点。
该节点为面网格上的网格节点，是二维参数。

[0080] 步骤S4.建立流体分析域进气口和出气口处的面网格并与上一步步骤S3中提取的二维面网格实现节点重合，并构成闭环整体，如图6所示。整个流体分析域S2包括三大区域，上述的步骤3确定了流体分析域S2的中间段，再加上图6所示的流入口和流出口所对应的区
域就形成了完整的流体分析域S2，即图6所示意的虚线和实现围成的区域。

[0081] 步骤S5.在上一步闭环面网格的基础上，生成流体域的三维网格模型。将步骤4得到的二维流体区域通过转换，得到流体域的三维网格模型。

[0082] 步骤S6.提取流体和固体交界处的流体网格节点和固体网格节点，分别作为流体域设计变量和固体域的设计变量(具体比如为网格节点坐标位置、)，并建立交界面上流体
分析域和固体分析域的网格节点的同步关系。具体来说，交界面上的流体分析域的每一个
网格节点都对应固体分析域位于交界面上的其中一个网格节点。在后续的设计中，流体分
析域设计变量中网格节点一旦变化，同位置处的固体分析域设计变量中的对应节点也跟随
变化。反之亦然。这样就实现了流体分析域和固体分析域的耦合。

[0083] 步骤S7.根据预旋喷嘴的减重需求，确定是否需要进行拓扑优化设计。进行拓扑优化设计的区域尽量避开主流道，避免影响流体进入到预旋喷嘴之后的流动特性。在一些实
施例中，预旋喷嘴的拓扑优化区域为非气动型面的内层网格。该区域没有流体流过，不会影响流体的气动型。如果预旋喷嘴的设计要求确定了减重优化目标和强度要求，那么根据该
减重优化目标和强度要求，确定是否去除优化区域的材料，去除材料后，是否对去除材料的区域进行填充。填充的形式有多种，比如栅格填充，具体可以选择棒状填充物或者片材状填充物。

[0084] 步骤S8.根据结构件受力需求，确定是否需要进行结构件的局部应力集中的改善或局部进行加强设计。设计区域尽量避开主流道，即选择非主流道区域进行结构加强，避免了加强结构影响流动特性。在一些实施例中，选择预旋喷嘴结构外环外表面的拐角处作为
待优化区域，确定拐角处的节点设计边界，即该区域的节点可以在设计边界和原外环外表
面确定的空间内小范围扰动，以缓解该拐点处的应力集中问题。

[0085] 步骤S9.设定流体域和固体域的其他优化参数的优化目标和优化边界参数(含工艺边界参数)等。不同结构的性能件1的优化目标和优化边界参数是不相同的。以预旋喷嘴
为例，其优化目标和优化边界参数主要包括性能参数和强度参数。

[0086] 步骤S10.执行预旋喷嘴结构的优化设计。可以以迭代计算的方式，重复执行图10中虚线框内的步骤，以实现优化设计。

[0087] 最后，导出满足增材制造设备格式要求的预旋喷嘴几何模型，并进行工艺验证，最后完成再设计的预旋喷嘴模型结构的加工制造。

[0088] 上述技术方案提供的性能件设计方法，在性能件1设计过程中，通过建立固体域和流体域共同边界处网格节点变形同步关系，实现不需重新分网的流固耦合迭代计算，同步
实现了优化，并且实现了预旋喷嘴的减重、局部补强设计，实现了预旋喷嘴的流固耦合优化设计。通过该方法设计得到的预旋喷嘴，提高了发动机的效率和经济效益。流固耦合是指可移动或可变形的结构与内部或环境流体之间的相互作用。并且，在上述设计过程中，预旋喷嘴结构的气动性能优化、预旋喷嘴的优化设计以减轻预旋喷嘴重量、可增加节点扰动设计
变量以改善预旋喷嘴结构的局部应力集中问题，这些分析过高可以并行实现，以进一步提
高设计分析效率。

[0089] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内
容的限制。

[0090] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，
但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。