叶盘系统作为航空发动机的关键零部件,其工作条件十分复杂,承受着气动力、离心力、热应力、振动等综合作用。叶盘系统故障是航空发动机最常见的故障之一,保证其安全可靠地运行是至关重要的。航空发动机日益向高负荷、高效率和高可靠性的趋势发展,同时叶片的材料越来越轻薄,这就使得发动机内部气动压强和温度载荷对叶盘结构的影响大大增加,导致叶片的振动问题越来越显著。一旦航空发动机的叶盘系统发生故障,所引起的事故是严重的,甚至是灾难性的。因此,综合考虑气动、温度和叶盘结构的耦合作用,对航空发动机的气动稳定性和结构强度具有重要的意义。目前,航空发动机的设计与研究广泛采用单一物理场叶盘转子模型,分别对叶盘系统的气动、传热、结构强度和振动特性等进行分析。也就是说仅对各物理场进行单学科的离散分析,通过不断地调试和反复设计优化,从而最终达到航空发动机的性能要求。但这样导致研制周期过长、成本过高,还不能准确地模拟航空发动机真实的工作状态。随着现代航空工业的迅猛进步,对飞机的工作性能提出了更高的要求,原有的航空动力技术已不能满足航空发动机设计的需要。故亟需针对现有航空发动机设计上的不足和问题,提出新的设计分析手段,充分考虑气动、传热和结构耦合作用的影响。本文以航空发动机叶盘系统为研究对象,开展了多场耦合动力学特性分析及优化设计研究,其中涉及叶盘系统的结构振动、三维流场特性、耦合界面载荷传递方法、多场耦合动力学和优化设计等方面的内容。主要研究内容和成果如下:1.基于循环对称分析技术,采用群论算法建立了叶片轮盘系统的运动方程,求解了叶盘系统的振动模态。同时对叶盘系统的振动特性进行了实体仿真,分析了叶盘系统的共振特性,讨论了叶片展弦比对叶盘系统振动特性的影响。结果表明:群论算法求解的模态与有限元软件计算的结果吻合良好;叶盘系统的各低阶固有频率远离相应的激振频率,不会发生共振;叶片展弦比λ的增加,降低了叶片的弯曲振动频率,但对叶片扭转振动的影响比较复杂。2.考虑了压气机转静干涉的影响,对航空发动机压气机转子内部的三维流场进行了CFD模拟,分析了转静干涉的作用过程,研究了压气机转子叶片表面的非定常气动载荷分布规律。并讨论了压比、转速及静动叶片数之比对转子叶片表面非定常气动载荷的影响。结果表明:转静干涉使得动叶前缘形成了较主流区速度较低的不均匀流场;动叶表面非定常脉动压强的主导频率为转静干涉频率的倍频;干涉周期T内动叶压力面和吸力面气动载荷的变化规律呈相反趋势。3.针对多场耦合界面载荷的传递问题,引入了 Kriging插值模型,讨论了不同变异函数在耦合界面载荷传递中的精度,并与RSM响应面法的插值结果进行了比较,验证了 Kriging插值法在耦合界面载荷传递中的优越性。编写了气动压强、温度载荷以及结构变形的传递程序,实现了多场耦合界面载荷的传递。结果表明:基于高斯模型的Kriging插值在耦合界面载荷传递中最为准确;且压力面载荷的传递精度要高于吸力面载荷的传递精度;插值前后耦合界面载荷的分布图吻合良好,能够满足多场耦合动力学的计算要求。4.基于Kriging模型的耦合界面载荷传递方法,建立了叶盘系统的多场耦合动力学模型,实现了压气机叶盘系统多物理场之间的耦合迭代求解。同时,集成了压气机叶盘系统多场耦合动力学分析软件,讨论了多场耦合作用下叶盘系统的振动特性。结果表明:对叶片变形、应力水平起主要作用的是离心载荷;气动压强、温度载荷引起的弯曲应力可以抵消一部分离心载荷引起的弯曲应力;温度载荷降低了叶盘系统的固有频率,增大了叶盘系统振动的可能性。5.利用静频试验、二分法和有限元分析相结合的方法,实现了失谐叶片参数的识别。基于叶盘系统的多物理场耦合分析方法,分别以谐调和失谐叶盘系统为研究对象,讨论了气动载荷对叶盘系统振动特性的影响。结果表明:刚度失谐导致叶盘系统各扇区叶片之间的振动位移和应变能出现明显的差异性;气动载荷使得谐调叶盘系统的振动增大,加剧了失谐叶盘系统振动的不均匀性;气动载荷作用下叶盘系统的最大位移和应力主要位于叶片固有振动频率区域。6.以叶盘系统的多物理场耦合分析方法为基础,根据多学科优化设计理论,开展了压气机叶盘系统的多学科优化设计。选取叶型设计参数和各学科优化目标,基于Isight软件,结合拉丁超立方试验设计,拟合了Kriging近似模型,采用多岛遗传优化算法,对压气机叶盘系统进行了多学科优化设计。结果表明:建立的Kriging近似模型具有较高的精度,可以满足多学科优化设计的要求;经过迭代优化计算,压气机的等熵效率、最高温度、最大应力和变形得到了一定的改善。