專利名稱：離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)一種離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
離心壓氣機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)各部門中發(fā)揮著舉足輕重的作用，廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、交通、運(yùn)輸、化工及冶金等部門。隨著現(xiàn)代規(guī)模工業(yè)、尖端科技的發(fā)展和社會對環(huán)境保護(hù)的呼聲越來越高，高負(fù)荷、大流量、高效率、低噪聲以及小體積成為離心壓氣機(jī)的發(fā)展方向。離心葉輪作為壓縮機(jī)中的關(guān)鍵部件，隨著技術(shù)的發(fā)展，離心葉輪的設(shè)計(jì)同時(shí)向著轉(zhuǎn)速更高，重量更輕的方向發(fā)展，但是隨著轉(zhuǎn)速的提高，重量的減輕，離心力越來越大， 葉片與輪盤、輪蓋之間的相互影響和相互作用也越來越大，因此如何設(shè)計(jì)出高強(qiáng)度的葉輪是離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。ff % (Valakos IM, Ntipteni MS, Nikolos IK, Structuraloptimization of a centrifugal impeller using differentialevolution in CATIA environment. Operational Research-AnInternational Journal,2007,17(2) :185-212.禾口Verstraete. Τ,Alsalihi Ζ,Van den Braembussche RA. Multidisciplinaryoptimization of a radial compressor for micro gas turbineapplication[C]. Proceedings of ASME Turbo Expo. 2007，GT-2007-27484.)表明，葉輪變形與葉片形狀和葉輪輪盤截面形狀有密切的關(guān)系。一旦氣動(dòng)設(shè)計(jì)確定了葉片形狀，那么葉輪變形和應(yīng)力分布情況主要由輪盤截面形狀決定。隨著有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，整體離心壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)完成后即可進(jìn)行三維實(shí)體模型的建立以及強(qiáng)度應(yīng)力的分析。通過對整體葉輪應(yīng)力分布的分析來修改葉輪截面形狀，降低葉輪的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。以往的離心葉輪輪盤截面形狀設(shè)計(jì)沒有固定準(zhǔn)則，對設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求較高。而且葉輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)往往需要較長的設(shè)計(jì)周期，設(shè)計(jì)效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種將優(yōu)化設(shè)計(jì)方法引入葉輪輪盤截面的設(shè)計(jì)過程中，能夠大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法。 該方法基于對離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在不增加葉輪重量的條件下降低整體葉輪在工作轉(zhuǎn)速下的等效應(yīng)力大小，提高離心葉輪工作安全可靠性能。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的方法包括以下步驟1)首先根據(jù)離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面模型數(shù)據(jù)以及壓氣機(jī)葉片數(shù)據(jù)對離心葉輪進(jìn)行實(shí)體建模；2)然后以葉輪出口背盤的厚度值、輪盤截面凹點(diǎn)深度和徑向尺寸、圓臺距輪盤右端面距離大小、輪盤加強(qiáng)肋條的徑向尺寸和圓臺半徑等特征參數(shù)對輪盤進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)， 將葉輪截面的形狀尺寸用對應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)表示，變化一個(gè)參數(shù)值，即改變與它相關(guān)的尺寸， 通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，實(shí)現(xiàn)葉輪論盤截面的造型；
3)根據(jù)均勻設(shè)計(jì)方法對輪盤設(shè)計(jì)參數(shù)在一定范圍內(nèi)(10% -15% )變化并根據(jù) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行樣本空間分布設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出多個(gè)不同輪盤截面參數(shù)條件下的離心葉 輪。然后進(jìn)行實(shí)體建模，并計(jì)算葉輪體積V ；4)對多個(gè)不同截面形狀下的離心葉輪在工作轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行有限元分析，并提取 葉輪的最大等效應(yīng)力和葉輪質(zhì)量數(shù)據(jù)；5)將不同的輪盤截面設(shè)計(jì)參數(shù)和對應(yīng)的葉輪最大等效應(yīng)力作為樣本來訓(xùn)練神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)近似模型，在參數(shù)變化范圍內(nèi)任意生成若干個(gè)檢驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精度的樣本，對檢驗(yàn)樣本 的等效應(yīng)力采用有限元分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測并將結(jié)果比較，對比結(jié)果誤差低于則訓(xùn)練 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滿足精度要求。若高于1 <%則將檢驗(yàn)樣本加入訓(xùn)練樣本繼續(xù)訓(xùn)練，直到滿足精度 要求。將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型作為優(yōu)化的評價(jià)函數(shù)；6)最后采用優(yōu)化算法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型以離心葉輪最大等效應(yīng)力為目標(biāo)函 數(shù)，以葉輪重量為算法約束條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)出離心葉輪等效應(yīng)力最小的葉輪輪盤截面形狀。對離心葉輪輪盤截面的參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，輪盤背面選取了葉輪出口背盤的厚度值T、 輪盤截面凹點(diǎn)深度D和徑向尺寸R2、圓臺距輪盤右端面距離大小Z、輪盤加強(qiáng)肋條的徑向尺 寸隊(duì)和圓臺半徑民等特征參數(shù)，通過改變這些特征參數(shù)的大小，能夠設(shè)計(jì)出不同形狀的離 心葉輪輪盤。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)方法對輪盤設(shè)計(jì)參數(shù)在一定范圍(10% -15% )變化并進(jìn)行樣本空 間分布設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出多個(gè)不同輪盤截面參數(shù)條件下的離心葉輪；采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE) 方法在設(shè)計(jì)空間安排訓(xùn)練樣本點(diǎn)，使訓(xùn)練樣本在設(shè)計(jì)空間中均勻分布，在保證擬合精度的 基礎(chǔ)上可以最大限度的減少樣本數(shù)，節(jié)約樣本計(jì)算時(shí)間。均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)代表性較 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)強(qiáng)得多，且能大幅度地減少試驗(yàn)次數(shù)。因而能夠大大減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 所需的訓(xùn)練樣本數(shù)。均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)所使用的基本工具為均勻設(shè)計(jì)表，用Un(mk)表示，表中U 是均勻設(shè)計(jì)表代號，n表示需要安排的試驗(yàn)次數(shù)，m表示每個(gè)因素的水平數(shù)，k表示該表最多 安排的因素?cái)?shù)。對這些采用均勻設(shè)計(jì)后形成的不同截面形狀下的離心葉輪在工作轉(zhuǎn)速條件下進(jìn) 行有限元分析，通過三階應(yīng)力矩陣方程可以計(jì)算出對應(yīng)的主應(yīng)力。。的分量(O”。2，o3)。
權(quán)利要求
1.離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟1)首先根據(jù)需要加工的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面模型數(shù)據(jù)以及離心壓氣機(jī)葉輪葉片數(shù)據(jù)對離心壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行實(shí)體建模；2)然后以離心壓氣機(jī)葉輪出口背盤的厚度值、輪盤截面凹點(diǎn)深度和徑向尺寸、圓臺距輪盤右端面距離大小、輪盤加強(qiáng)肋條的徑向尺寸和圓臺半徑特征參數(shù)對離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，將葉輪截面的形狀尺寸用對應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)表示，變化一個(gè)參數(shù)值，即改變與它相關(guān)的尺寸，通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，實(shí)現(xiàn)葉輪論盤截面的造型；3)根據(jù)均勻設(shè)計(jì)方法對離心壓氣機(jī)葉輪輪盤設(shè)計(jì)參數(shù)在10%-15%范圍內(nèi)變化進(jìn)行樣本空間分布設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出多個(gè)不同輪盤截面參數(shù)條件下的離心壓氣機(jī)葉輪，然后進(jìn)行實(shí)體建模，并計(jì)算離心壓氣機(jī)葉輪葉輪體積V ；4)對多個(gè)不同截面形狀下的離心壓氣機(jī)葉輪在工作轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行有限元分析，并提取各個(gè)離心壓氣機(jī)葉輪的最大等效應(yīng)力和離心壓氣機(jī)葉輪質(zhì)量數(shù)據(jù)；5)將不同的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面設(shè)計(jì)參數(shù)和對應(yīng)的離心壓氣機(jī)葉輪葉輪最大等效應(yīng)力作為訓(xùn)練樣本來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型，在參數(shù)變化范圍任意生成若干個(gè)檢驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精度的樣本，對檢驗(yàn)樣本的等效應(yīng)力采用有限元分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測并將結(jié)果比較，對比結(jié)果誤差低于則訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滿足精度要求，若高于則將檢驗(yàn)樣本加入訓(xùn)練樣本繼續(xù)訓(xùn)練，直到滿足精度要求，將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型作為優(yōu)化的評價(jià)函數(shù)；6)最后采用優(yōu)化算法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型以離心壓氣機(jī)葉輪最大等效應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)，以離心壓氣機(jī)葉輪重量為算法約束條件，得到離心壓氣機(jī)葉輪等效應(yīng)力最小的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀。
2.如權(quán)利要求1所述的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟2)對離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，離心壓氣機(jī)葉輪輪盤背面選取葉輪出口背盤的厚度值T、輪盤截面凹點(diǎn)深度D和徑向尺寸&、圓臺距輪盤右端面距離大小Z、輪盤加強(qiáng)肋條的徑向尺寸R1和圓臺半徑民特征參數(shù)，通過改變這些特征參數(shù)的大小設(shè)計(jì)出不同形狀的離心葉輪輪盤。
3.如權(quán)利要求1所述的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟3)設(shè)計(jì)參數(shù)在10% -15%變化，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法在設(shè)計(jì)空間安排訓(xùn)練樣本點(diǎn)， 試驗(yàn)設(shè)計(jì)所使用的基本工具為均勻設(shè)計(jì)表，用Un(mk)表示，表中U是均勻設(shè)計(jì)表代號，η表示需要安排的試驗(yàn)次數(shù)，m表示每個(gè)因素的水平數(shù)，k表示該表最多安排的因素?cái)?shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟4)中，對這些不同截面形狀下的離心壓氣機(jī)葉輪在工作轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行有限元分析，通過三階應(yīng)力矩陣方程計(jì)算出對應(yīng)的主應(yīng)力ο。的分量(0l，。2，。3)；
5.如權(quán)利要求1所述的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟5)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值X為均勻設(shè)計(jì)表對應(yīng)的樣本葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，輸出值D為樣本葉輪的最大等效應(yīng)力S和葉輪重量M，網(wǎng)絡(luò)的輸入矩陣X與輸出矩陣D關(guān)系表達(dá)式為
6.如權(quán)利要求1所述的離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟6)以整體葉輪的最大應(yīng)力^iax(Xi)為目標(biāo)函數(shù)，算法約束條件為葉輪質(zhì)量MimpellCT(Xi),優(yōu)化問題目標(biāo)是要降低等效應(yīng)力，由下面的表達(dá)式描述
全文摘要
離心壓氣機(jī)葉輪輪盤截面形狀優(yōu)化方法，對離心葉輪輪盤截面形狀采用了參數(shù)化建模的方式，以最少的設(shè)計(jì)參數(shù)描述葉輪輪盤截面形狀，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來對葉輪輪盤截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證葉輪重量不增加的情況下有效降低葉輪的等效應(yīng)力達(dá)7.4％以上，提高其工作可靠性。本設(shè)計(jì)方法大幅降低葉輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)周期，設(shè)計(jì)結(jié)果可靠，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，具有很高的社會效益及推廣價(jià)值。
文檔編號G06F17/50GK102339351SQ20111032465
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者席光, 王宏亮 申請人:西安交通大學(xué)