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南京航空航天大学硕士学位论文 南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 涡轮盘是航空发动机中关键的承力部件，其结构设计的优劣直接影响涡轮转子能否正常工 作以及发动机整体性能的好坏。因此，选择合理的结构设计技术进行涡轮盘设计显得尤为重要。 要设计一个性能优良的涡轮盘就需要采用现代结构优化设计方法进行设计。首先，在考虑各种 设计要求的情况下，应用结构拓扑优化技术得到合理的轮盘拓扑构型；其次，在已知轮盘拓扑 构型的基础上，对轮盘进行更为具体且精细的形状、尺寸以及加工工艺的优化设计。 本文围绕涡轮盘结构的拓扑与形状优化这一问题展开了以下几个方面的研究工作： （1）在继承传统 BESO 方法思想的基础上，引入了随机抽样敏度分析的概念，重新设计 了算法结构，提出了基于随机抽样敏度分析的双向渐进结构优化方法（RSSA-BESO），该方法 在算法设计上克服了传统 BESO 方法中容易产生的震荡问题； （2）以 RSSA-BESO 方法为基础，对航空发动机涡轮盘结构进行了拓扑优化设计研究，并 得到了一种双辐板形式的新型涡轮盘结构，重量比同等设计条件下的单辐板涡轮盘减轻了 30.42%； （3）进行了阶梯状拓扑边界的 B 样条逼近方法研究，并用三次非均匀有理 B 样条对涡轮 盘拓扑边界进行了曲线逼近，效果良好； （4）选择 B 样条逼近曲线的控制顶点作为优化变量，利用 ANSYS 中集成的零阶优化方法 对涡轮盘结构的拓扑边界进行了形状优化，优化后的双辐板涡轮盘重量比同等设计条件下的单 辐板涡轮盘减轻了 32.2%，同时得到了比较光滑的边界形状。 关键词：BESO，随机抽样，敏度分析，渐进结构优化，拓扑优化，双辐板涡轮盘，B 样条，形 状优化 i 涡轮盘结构拓扑与形状优化方法研究 ABSTRACT Turbine disk is the key component in aero-engine. The advantage of structure design directly affects the performance of the turbine rotor and the integrity of the engine. High-performance aero-engine requires high quality turbine disk, and modern structural optimization approach will be engaged. First, with considering a variety of design criteria, a reasonable topological layout of turbine disk can be achieved by using the structural topology optimization method; Then, based on the known topological layout, a more specific and precise shape, size and processing optimization for turbine disk can be carried out. The thesis focuses on the topology and shape optimization of turbine disk and the following aspects: Based on inheriting the idea of classical BESO method, the concept of random sampling sensitivity analysis (RSSA) is developed, and the arithmetic structure is redesigned, a new RSSA-BESO method is proposed, which overcomes the prone oscillation problems of the classical BESO method. Base on the RSSA-BESO method, the turbine disk topological optimization design is carried out, and a new twin-web turbine disk design is obtained. The result shows that the weight of turbine disk is reduced 12.76%, comparing with the single-web