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基于连续/离散变量的异型孔多目标均衡优化研究

基于连续/离散变量的异型孔多目标均衡优化研究

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作者：韩佳欣南京航空航天大学

学位级别：硕士

异型螺栓孔是航空发动机高压涡轮转子部件连接结构中采用的一种新型结构。国外先进发动机的设计实践表明,利用结构优化设计方法给出的合理的异型螺栓孔结构可有效地降低孔边应力,从而大大提高轮盘的疲劳寿命。在国内,近年来针对异型螺... 详细信息

异型螺栓孔是航空发动机高压涡轮转子部件连接结构中采用的一种新型结构。国外先进发动机的设计实践表明,利用结构优化设计方法给出的合理的异型螺栓孔结构可有效地降低孔边应力,从而大大提高轮盘的疲劳寿命。在国内,近年来针对异型螺栓孔结构优化设计的研究也取得了一定进展,所提出的异型孔模型及优化模型在降低螺栓孔边应力时效果明显。但问题并未全部解决。由于已有的异型孔结构优化模型目标单一,约束条件过少,由此所获得的最优解质量不高,优化结果的稳定性也较差。有鉴于此,本文针对异型孔结构模型、优化模型和优化方法设计方面进行了深入的研究。论文主要内容如下:分别基于连续变量和离散变量提出了适用于异型螺栓孔结构设计的多目标优化模型。论文基于均衡设计的思想,针对不同变量类型,分别采用NSGA-II算法和动态权系法对异型孔轮廓设计模型进行寻优,使设计解可在充分降低孔边应力的同时,避免了过度设计。论文通过对某航空发动机高压涡轮螺栓连接单元的轮盘受力特点的分析,确定了适用于涡轮盘和封严盘结构异型螺栓孔优化的力学模型;论文通过分析超椭圆和八圆弧异型孔轮廓参数变化对孔边应力的影响,发现异型孔优化设计点集合中,存在应力缓降的“准弱极小值”区间。为此在异型螺栓孔多目标优化模型中,引入应力和“异型度”约束指标。该模型在寻求孔边应力降低到既定值的同时,可对异型孔轮廓变化进行有效的控制,由此达到均衡设计的目的;论文通过研究盘螺栓通孔结构特点,构建了基于连续变量的超椭圆和八圆弧异型孔多目标优化模型,来解决异型孔优化时的“准弱极小值”问题;论文并运用NSGA-II算法对两种异型孔结构模型进行寻优,给出了基于连续变量的涡轮盘和封严盘异型螺栓孔优化设计结果;考虑到异型孔工业标准化设计及加工的需要,论文还专门针对八圆弧异型孔构建了基于离散变量的多目标优化模型,并在模型中设计了整数替代编码方法和动态权系数生成方法。前者可保证设计变量满足工业加工标准,后者权重系数可随设计变量的定义域变化而动态生成,有效提高了优化结果的均衡性和稳定性。论文最后还对不同优化方法和优化模型所得异型孔设计及其适用条件进行了比较分析。

关键词：异型孔准弱极小值均衡设计多目标结构优化离散变量优化动态加权系数法

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