本發(fā)明屬于航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，尤其涉及渦輪盤雙軸對稱異型螺栓孔的輪廓形狀的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型。
背景技術(shù)：
：航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪盤長期工作環(huán)境惡劣，其前安裝邊上螺栓圓孔常因應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生孔邊裂紋，成為輪盤失效的一個重要原因。專利“多圓弧異型孔”(專利號：ZL201310287309.9)提出了可采用一種八圓弧異型孔結(jié)構(gòu)。但仍存在如下不足：1.已有的優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值存在過度優(yōu)化現(xiàn)象(即孔邊應(yīng)力下降幅超過設(shè)計要求)。2.優(yōu)化設(shè)計結(jié)果過分依賴于設(shè)計變量取值范圍的設(shè)定，實際設(shè)計中，需不斷試算以確定合理的設(shè)計變量取值范圍，設(shè)計效率低。3.優(yōu)化設(shè)計結(jié)果魯棒性差，優(yōu)化過程收斂速度較慢。技術(shù)實現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于最小輪廓變化的兩參量異型螺栓孔穩(wěn)健設(shè)計方法，該方法可避免優(yōu)化設(shè)計時繁瑣、低效的邊界試算，提高設(shè)計的合理性及穩(wěn)定性，同時大大提高設(shè)計效率。技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于最小輪廓變化的兩參量異型螺栓孔穩(wěn)健設(shè)計方法，包括以下步驟：步驟1.根據(jù)任務(wù)給定目標(biāo)值、主圓弧半徑、過渡圓弧半徑以應(yīng)力下降目標(biāo)、異型孔主圓弧尺寸變化目標(biāo)以及過渡圓弧尺寸變化目標(biāo)建立異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型。步驟2.根據(jù)主圓弧半徑上界、過渡圓弧半徑下界確定步驟1中的異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型的尺寸約束。步驟3.引用加權(quán)系數(shù)，將異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為異型孔單一綜合目標(biāo)優(yōu)化模型。步驟4.根據(jù)定輪廓變化值和允許的誤差對異型孔單一綜合目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得異型孔各設(shè)計變量，完成異型孔的設(shè)計。所述步驟1中異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型建立方法包括以下步驟：步驟11，根據(jù)任務(wù)給定目標(biāo)值、主圓弧半徑、過渡圓弧半徑建立無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)。步驟12，根據(jù)原螺栓通孔半徑、主圓弧半徑建立主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)。步驟13，根據(jù)原螺栓通孔半徑、過渡圓弧半徑建立過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)。步驟14，根據(jù)步驟11建立的無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)、步驟12建立的主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)、步驟13建立的過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)建立異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型。所述步驟11中無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如下：f1(σmax)=min{|σmax-σo|σ0}.]]>f1(σmax)為無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)，σmax為孔邊最大主應(yīng)力，σmax＝σmax(R1,R2)，R1為主圓弧半徑，R2為過渡圓弧半徑，σo表示任務(wù)給定目標(biāo)值。所述步驟12中主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如下：f2(R1)=min|R1-R*|R*.]]>其中，f2(R1)主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)，R1為主圓弧半徑，R*表示原螺栓通孔半徑。所述步驟13中過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如下：f3(R2)=min|R*-R2|R*.]]>其中，f3(R2)為過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)，R2為過渡圓弧半徑，R*表示原螺栓通孔半徑。所述步驟14中異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型的表達(dá)式如下：minf{y1＝f1(σmax),y2＝f2(R1),y3＝f3(R2)}。所述步驟2中建立的尺寸約束為：s.t.R*<R1<R1maxR2min<R2<R*]]>其中，R1max為主圓弧半徑上界，R2min為過渡圓弧半徑下界，R1為主圓弧半徑，R2為過渡圓弧半徑,R*表示原螺栓通孔半徑。所述步驟3中的異型孔單一綜合目標(biāo)優(yōu)化模型為：f(f1,f2,f3)＝k1·f1(σmax)+k2·f2(R1)+k3·f3(R2)。其中，k1為量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，f1(σmax)為無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)，k2為主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，f2(R1)主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)，k3為過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，f3(R2)為過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)。所述步驟3中加權(quán)系數(shù)的確定方法如下：量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)k1、主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)k2、過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)k3隨R1主圓弧半徑的取值范圍以及σo應(yīng)力目標(biāo)值的不同而動態(tài)變化，其中：主圓弧半徑R1和過渡圓弧半徑R2取值范圍變化時，對孔邊應(yīng)力的影響不同。R1max變化時：k2＝0.008～0.012k2和k3之間滿足：k3＝g1(k2,R1max)＝(1.25～2.1)·k2·R1maxk1與k2，k3之間滿足：k1=g2(k2,k3,σ0)=σ0(σ1r-σ0)·[k2·f2(R1)+k3·f3(R2)].]]>其中，σ1r為原圓形螺栓通孔孔邊最大主應(yīng)力值。所述步驟4中對異型孔單一綜合目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化時，只有在優(yōu)化后的異型孔孔邊應(yīng)力達(dá)到既定要求，即|σmax-σo|≤ε，ε為允許誤差。且異型螺栓孔與原螺栓圓形通孔相比，輪廓變化小于給定輪廓變化值時，設(shè)計參數(shù)或變量才是滿足要求的優(yōu)化值。有益效果：本發(fā)明提供的一種基于最小輪廓變化的兩參量異型螺栓孔穩(wěn)健設(shè)計方法，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：1.完善了兩變量異型孔優(yōu)化問題的優(yōu)化目標(biāo)，使得到的優(yōu)化解可按預(yù)期目標(biāo)降低孔邊應(yīng)力。2.優(yōu)化設(shè)計獲得的異型孔輪廓尺寸既可滿足應(yīng)力下降到規(guī)定值，又不至偏離原有輪廓過大，因而設(shè)計更加穩(wěn)健。3.克服了原優(yōu)化結(jié)果對設(shè)計變量取值范圍的過分依賴的問題，無需再優(yōu)化設(shè)計中反復(fù)調(diào)整異型孔各圓弧尺寸(R1，R2)的設(shè)計范圍，從而提高了優(yōu)化設(shè)計點的穩(wěn)定性，使得最終設(shè)計方案更加合理，設(shè)計效率也明顯提高。附圖說明圖1是加權(quán)系數(shù)k1，k2，k3的動態(tài)確定流程圖；圖2是基于多目標(biāo)兩變量優(yōu)化模型下得到的異型孔輪廓；其中：1-兩變量異型孔主圓弧R1；2-兩變量異型孔過渡圓弧R2；3-傳統(tǒng)螺栓通孔(基圓)。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。一種基于最小輪廓變化的兩參量異型螺栓孔穩(wěn)健設(shè)計方法，該模型針對航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪盤上的異型螺栓通孔(以下簡稱異型孔)輪廓優(yōu)化問題，提出了一種穩(wěn)健設(shè)計方法，即在優(yōu)化設(shè)計中，采用(a)減小孔邊應(yīng)力至任務(wù)規(guī)定值和(b)控制異型孔輪廓變化幅度(即避免異型孔輪廓與原圓形輪廓差異過大)等優(yōu)化目標(biāo)，以此來獲得合理、穩(wěn)健的設(shè)計方案。在優(yōu)化模型中，通過對每個優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行合理的加權(quán)求和處理，建立了異型孔綜合優(yōu)化設(shè)計模型。在綜合優(yōu)化模型中，由于每個目標(biāo)的權(quán)重將隨異型孔設(shè)計變量取值范圍的變化而變化，為此專利發(fā)明者設(shè)計了一種可保持不同設(shè)計目標(biāo)對綜合優(yōu)化目標(biāo)貢獻(xiàn)均衡的權(quán)重系數(shù)動態(tài)調(diào)整方法，使得與應(yīng)力控制目標(biāo)有關(guān)的權(quán)重系數(shù)(k1)與異型孔輪廓設(shè)計變量取值范圍相關(guān)聯(lián)，在后者發(fā)生變化時，k1可自動調(diào)整，因而獲得了多目標(biāo)條件下的異型孔均衡優(yōu)化設(shè)計效果，從根本上消除了異型孔各設(shè)計變量(即圓弧尺寸)優(yōu)化結(jié)果對設(shè)計變量取值范圍的依賴性，可快速優(yōu)化得到滿足強(qiáng)度設(shè)計任務(wù)要求條件且的輪廓尺寸變化最小的最佳異型孔輪廓。本發(fā)明使得兩變量異型孔輪廓設(shè)計可按任務(wù)給出的孔邊應(yīng)力目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，同時無需對異型孔各設(shè)計變量尺寸取值范圍反復(fù)試探調(diào)整，設(shè)計結(jié)果具有較好的一致性。具體包括以下步驟：步驟1.根據(jù)任務(wù)給定目標(biāo)值、主圓弧半徑、過渡圓弧半徑以應(yīng)力下降目標(biāo)、異型孔主圓弧尺寸變化目標(biāo)以及過渡圓弧尺寸變化目標(biāo)建立異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型。具體包括以下步驟：步驟11，根據(jù)任務(wù)給定目標(biāo)值、主圓弧半徑、過渡圓弧半徑建立無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)，f1(σmax)為無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)，需保證異型孔孔邊最大主應(yīng)力足夠逼近于事先設(shè)定(任務(wù)給定)的某一目標(biāo)值σo。其表達(dá)式如下：f1(σmax)＝mindd表示f1(R)所描述的孔邊最大主應(yīng)力σmax與事先設(shè)定的應(yīng)力目標(biāo)值σo的無量綱差值。f1(σmax)=min{|σmax-σo|σ0}.]]>f1(σmax)為無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)，σmax為孔邊最大主應(yīng)力，σmax＝σmax(R1,R2)，R1為主圓弧半徑，R2為過渡圓弧半徑，σo表示任務(wù)給定目標(biāo)值。在具體實施時，σo應(yīng)力目標(biāo)值需根據(jù)設(shè)計任務(wù)目標(biāo)及工作條件確定步驟12，根據(jù)原螺栓通孔半徑、主圓弧半徑建立主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)將使得優(yōu)化獲得的異型孔輪廓與原輪廓差異盡可能小，從而得到更加穩(wěn)健的設(shè)計點。以原螺栓通孔半徑R*為基準(zhǔn)。其表達(dá)式如下：f2(R1)=min|R1-R*|R*]]>其中，f2(R1)主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)，R1為主圓弧半徑，R*表示原螺栓通孔半徑。而目標(biāo)函數(shù)f2(R1)，f3(R2)保證滿足目標(biāo)f1(R)的前提下，獲得的異型孔輪廓尺寸R(R1,R2)盡可能接近傳統(tǒng)設(shè)計螺栓通孔輪廓，從而獲得更加穩(wěn)健的設(shè)計點。f2(R1)＝minδ1，f3(R2)＝minδ2；其中，δ1，δ2分別表征異型孔主圓弧R1和過渡圓弧半徑R2與圓螺栓孔基圓半徑的無量綱差，具體如下。步驟13，根據(jù)原螺栓通孔半徑、過渡圓弧半徑建立過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)將使得優(yōu)化獲得的異型孔輪廓與原輪廓差異盡可能小，從而得到更加穩(wěn)健的設(shè)計點。以原螺栓通孔半徑R*為基準(zhǔn)。其表達(dá)式如下：f3(R2)=min|R*-R2|R*]]>其中，f3(R2)為過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)，R2為過渡圓弧半徑，R*表示原螺栓通孔半徑。優(yōu)化設(shè)計中，確定設(shè)計變量取值范圍時，R1max(主圓弧半徑上界)可根據(jù)實際螺栓孔直徑取為8～20R*(R*為基圓半徑)；R2min為過渡圓弧半徑下界，取決于實際加工條件下的最小半徑，可取實際用最小直徑刀具半徑。步驟14，根據(jù)步驟11建立的無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)、步驟12建立的主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)、步驟13建立的過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)建立異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型，其表達(dá)式如下：minf{y1＝f1(σmax),y2＝f2(R1),y3＝f3(R2)}求解具體優(yōu)化問題時，所有設(shè)計點Ri(R1，R2)對應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的f1，f2,f3可構(gòu)成一個判據(jù)空間，用F表示，如下：F＝{fi(f1,f2,f3)∈R3|f1＝f1(σmaxi),f2＝f2(R1),f3＝f3(R2)}fi＝(f1,f2,f3)為三個目標(biāo)函數(shù)值組成的向量。尋優(yōu)過程即為對判據(jù)空間中所有向量fi的評估過程。σmax＝σmax(R1,R2),R1,R2分別代表主圓弧和過渡圓弧，它們代表了設(shè)計點R；f1(σmax)為與設(shè)計點R(R1,R2)對應(yīng)的應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)；f2(R1)為主圓弧R1變化控制目標(biāo)函數(shù)；f3(R2)為過渡圓弧R2變化控制目標(biāo)函數(shù)。R*為基圓(即傳統(tǒng)設(shè)計螺栓通孔)半徑，R1max為主圓弧半徑上界，R2min為過渡圓弧半徑下界。異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型滿足：(1)降低孔邊應(yīng)力至強(qiáng)度設(shè)計任務(wù)給定目標(biāo)；(2)孔輪廓尺寸改變最小；(3)有效降低優(yōu)化所得的異型孔輪廓尺寸對設(shè)計變量取值范圍的依賴性，提高設(shè)計的魯棒性。步驟2.根據(jù)主圓弧半徑上界、過渡圓弧半徑下界確定步驟1中的異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型的尺寸約束。其尺寸約束為：s.t.R*<R1<R1maxR2min<R2<R*]]>其中，R1max為主圓弧半徑上界，可在合理范圍內(nèi)任意取值，R2min為過渡圓弧半徑下界，R1為主圓弧半徑，R2為過渡圓弧半徑，R*表示基圓，即傳統(tǒng)設(shè)計(原)螺栓通孔半徑。步驟3.引用加權(quán)系數(shù)，將異型孔多目標(biāo)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為異型孔單一綜合目標(biāo)優(yōu)化模型，即對目標(biāo)f1(σmax)、f2(R1)和f3(R2)進(jìn)行加權(quán)求和處理，將多目標(biāo)優(yōu)化問題簡化為單一綜合目標(biāo)。異型孔單一綜合目標(biāo)優(yōu)化模型為：f(f1,f2,f3)＝k1·f1(σmax)+k2·f2(R1)+k3·f3(R2)。其中，k1為量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，f1(σmax)為無量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)，k2為主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，f2(R1)主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)，k3為過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，f3(R2)為過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)。本發(fā)明由三個新目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型，可以同時對孔邊最大主應(yīng)力下降幅和異型孔輪廓尺寸變化進(jìn)行控制，使得孔邊應(yīng)力降低幅滿足既定目標(biāo)，孔型設(shè)計更為穩(wěn)健，孔型參數(shù)更為穩(wěn)定。通過加權(quán)系數(shù)k1，k2，k3可調(diào)整三個單一優(yōu)化目標(biāo)對綜合優(yōu)化目標(biāo)的貢獻(xiàn)。如附圖1所示，加權(quán)系數(shù)的確定方法如下：量綱應(yīng)力下降幅目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)k1、主圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)k2、過渡圓弧半徑無量綱異型孔輪廓控制目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)k3隨R1主圓弧半徑的取值范圍以及σo應(yīng)力目標(biāo)值的不同而動態(tài)變化，其中：主圓弧半徑R1和過渡圓弧半徑R2取值范圍變化時，對孔邊應(yīng)力的影響不同。R1max變化時：k2＝0.008～0.012k2和k3之間滿足：k3＝g1(k2,R1max)＝(1.25～2.1)·k2·R1maxk1與k2，k3之間滿足：k1=g2(k2,k3,σ0)=σ0(σ1r-σ0)·[k2·f2(R1)+k3·f3(R2)].]]>其中，σ1r為原圓形螺栓通孔孔邊最大主應(yīng)力值。生成的加權(quán)系數(shù)k1，k2，k3可使得各設(shè)計參量變化更為均衡，獲得穩(wěn)健的設(shè)計點。步驟4.根據(jù)定輪廓變化值和允許的誤差對異型孔單一綜合目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得異型孔各設(shè)計變量，完成異型孔的設(shè)計。對異型孔單一綜合目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化時，只有在優(yōu)化后的異型孔孔邊應(yīng)力達(dá)到既定要求，即|σmax-σo|≤ε，ε為允許誤差。且異型螺栓孔與原螺栓圓形通孔相比，輪廓變化小于給定輪廓變化值時，設(shè)計參數(shù)或變量才是滿足要求的優(yōu)化值，在所給的多目標(biāo)優(yōu)化模型中，要求三個單一目標(biāo)對綜合設(shè)計結(jié)果貢獻(xiàn)均衡。由于加權(quán)系數(shù)k1，k2，k3與設(shè)計變量的取值范圍相關(guān)，為此給出了加權(quán)系數(shù)k1，k2，k3動態(tài)生成辦法，使得k1，k2，k3值可隨R1max取值范圍的不同，調(diào)整取值，以滿足三個單一優(yōu)化目標(biāo)之間的均衡，最終得到滿足強(qiáng)度設(shè)計要求、且更為穩(wěn)健、穩(wěn)定的設(shè)計點，保證三者具有恰當(dāng)?shù)挠绊懸驍?shù)，從而保證了最終最優(yōu)解的魯棒性。本發(fā)明中提出的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法可在滿足應(yīng)力設(shè)計目標(biāo)(任務(wù)值)的基礎(chǔ)上，獲得孔輪廓改變更小、更加穩(wěn)健的孔型設(shè)計方案；此外，優(yōu)化設(shè)計中，在異型孔圓弧尺寸允許變化范圍明顯變化時，仍能保持穩(wěn)定的優(yōu)化解，使得最終優(yōu)化設(shè)計結(jié)果擺脫了對圓弧設(shè)計變量設(shè)定范圍值的依賴，提高了設(shè)計效率。該多目標(biāo)優(yōu)化模型下得到的兩參量異型孔結(jié)構(gòu)如附圖2所示。本發(fā)明提供了一種新的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型，可按任務(wù)規(guī)定的孔邊應(yīng)力下降幅給出穩(wěn)健、穩(wěn)定的設(shè)計方案。該多目標(biāo)優(yōu)化模型由(a)應(yīng)力下降目標(biāo)、(b)異型孔主圓弧尺寸R1變化目標(biāo)和(c)過渡圓弧尺寸R2變化目標(biāo)構(gòu)成；多目標(biāo)優(yōu)化模型中，三個單一目標(biāo)(即(a)、(b)和(c))對綜合目標(biāo)的貢獻(xiàn)應(yīng)滿足均衡條件；所提供的新模型及算法可避免優(yōu)化設(shè)計時繁瑣、低效的邊界試算，提高設(shè)計的合理性及穩(wěn)定性，同時大大提高設(shè)計效率。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3