基于工程离散变量的两变量多圆弧异型孔均衡设计方法及模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空发动机涡轮转子部件的结构优化设计，尤其涉及涡轮盘螺栓孔异 型孔的轮廓形状优化设计方法及模型。
【背景技术】
[0002] 航空发动机高压涡轮盘前安装边上螺栓孔主要采用圆孔结构，长期工作在高压、 高温环境下，圆孔孔边易出现应力集中现象，产生孔边裂纹，严重影响涡轮盘乃至整个发动 机的使用寿命。
[0003] 针对此问题，CFM56- III发动机首次将涡轮盘上螺栓孔改进为一种异型孔结构，南 京航空航天大学某科研小组对该异型孔的轮廓结构特点和优化方法做出了大量研究，给出 了异型孔的数学模型推导，并提出了优化设计方法。当前优化方法可以给出对异型孔设计 具有参考价值的推荐圆弧半径值，能够在一定程度上降低孔边应力，改善孔边应力分布情 况。但仍存在如下不足：
[0004] 1.设计所得的异型孔轮廓过于依赖设定的设计变量的取值范围，不利于工程设 计。
[0005] 2.难以得到稳定的设计点，采用原方法设计时很难较快收敛到最优解，耗时较长。
[0006] 3.原设计方法针对连续变量进行寻优，所得到的最佳半径尺寸不符合实际工业加 工标准，给实际加工和检测带来困难。
【发明内容】
[0007] 针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于工程离散变量的两变量 多圆弧异型孔均衡设计方法，能够使得异型孔圆弧半径设计结果满足工业标准。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0009] -种基于工程离散变量的两变量多圆弧异型孔均衡设计方法，包括以下步骤： [0010] (1)设计变量的离散化处理
[0011] 首先根据国家标准规定的圆弧半径标准系列建立各设计变量的标准备选池，用以 存储圆弧半径标准值；然后，运用VB语言编写自定义转换函数对原连续变量进行圆整；保 证了各设计变量样本均为在半径标准序列池中随机产生的离散值；
[0012] ⑵离散变量设计空间的控制
[0013] 采用边界检验模块对离散变量组合的设计空间进行控制，对于越界参数进行剔 除；
[0014] 作为进一步的改进，在步骤（2)后还包括步骤（3)优化迭代过程，其具体为：
[0015] 优化前，离散设计点按大小顺序编号；优化迭代中，选择新的设计点时，通过编号 运算来选择新的设计点编号，然后通过离散设计点的编号与实际设计点的映射关系来确定 新的设计点，通过设计点的比较，挑选出更好的新设计点。
[0016] 步骤（1)中，用下述自定义转换函数对原连续变量进行圆整，该自定义转换函数 的数学模型为：
[0017] Xt= min {Xs I Xs^ XJ
[0018] 其中，Xt表示圆整后的离散设计变量值，X 3表示标准备选池中的标准值，X1表示随 机产生的连续变量值。
[0019] 运用该函数对设计变量进行离散化处理时，将随机产生的连续变量值与标准备选 池中数据进行一一比对，直到逼近其不大于的且最接近的标准值，取该标准值为随机连续 变量对应的离散值。
[0020] 步骤⑵中，边界检验模块的筛选规则如下：
[0021] 若 xt>xupS X t〈xlow
[0022] 则 Xt= Xnew
[0023] 其中，乂,表示待检验的离散变量组合，X @是人为设置的圆弧半径上界，X lOT是人为 设置圆弧半径下界，乂_为新生成的标准设计空间内的一个变量值。
[0024] 该筛选模块通过将重新生成的离散变量值与预先设置的半径变量上下界进行比 较，来判断变量值是否在合理的设计空间内，对于越界变量用在标准设计空间内随机抽取 的一个新的离散变量值替代。
[0025] 本发明的另一个目的是提供一种涡轮盘异型孔优化模型，以解决优化结果过于依 赖设计变量取值域的问题，能够在满足结构强度设计要求的情况下，获得更稳健的设计结 果。
[0026] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0027] 均衡考虑航空发动机高压转子部件连接单元的结构特点和涡轮盘两变量异型孔 的孔边应力变化规律，提出了涡轮盘两变量异型孔的新优化模型如下
[0028] 一种涡轮盘两变量异型孔优化模型，该模型为：
[0031] 其中，R1为主圆弧半径，R2为过渡圆弧半径，f(x)为孔边主应力值，σ lniax为孔边第 一最大主应力，Olst为约束应力，δ为小量，Rninl为主圆弧半径下界，RnaxlS主圆弧半径上 界，R_ 2为过渡圆弧半径下界，R _2为过渡圆弧半径上界。
[0032] 〇lst通过参考与之配套的涡轮组件中其它构件安装边孔边最大应力确定，或以设 计目标要求确定；&及1? 2的取值范围按专利号为ZL201310287309. 9的中国专利"多圆弧异 型孔"及实际加工要求确定。
[0033] 本发明的有益效果是：
[0034] 1)对设计变量进行离散化处理，可以在设计时直接得到符合加工标准的优化结 果，提高最优解的质量。同时，采用离散变量可有效减少样本备选池的规模，减少了设计的 总运算量；
[0035] 2)采用均衡设计考虑的优化模型，使得设计过程更符合实际要求，不仅可有效抑 制半径设计结果过分依赖变量取值边界的情况，而且可明显加快优化进程的收敛速度，提 高设计效率；
[0036] 3)约束应力的引入，使得孔边应力下降到合理数值优化过程便停止，配合恰当的 圆弧边界参数设置，可获得与圆孔轮廓尺寸相近的最优解，且能满足应力下降率的要求，这 保证了设计的均衡性。
【附图说明】
[0037] 图1是两变量异型孔设计轮廓图；
[0038] 图2是未考虑均衡设计思想下得到的异型孔轮廓；
[0039] 图3是基于均衡设计考虑的新优化模型下得到的异型孔轮廓；
[0040] 图4是圆整映射的具体数值实例；
[0041] 其中：1_两变量异型孔主圆弧R1;2_两变量异型孔过渡圆弧R2;3-螺栓圆孔基圆； 4-未考虑均衡设计的两变量异型孔过渡圆弧；5-未考虑均衡设计的两变量异型孔主圆弧； 6_考虑均衡设计的两变量异型孔过渡圆弧；7-考虑均衡设计的两变量异型孔主圆弧。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合【具体实施方式】对本发明作更进一步的说明。
[0043] 1.设计变量离散化的实施方法
[0044] 1)初始化种群离散化：首先根据国家标准规定的圆弧半径标准系列建立各设计 变量的标准备选池，用以存储圆弧半径标准值；然后，运用VB语言编写自定义转换函数对 原连续变量进行圆整。原则是：大于初始值，并距其最近的圆弧半径系列标准值。保证了各 设计变量样本均为在半径标准序列池中随机产生的离散值。
[0045] 自定义转换函数的数学模型为：
[0046] Xt= min {Xs I Xs^ XJ
[0047] 其中，Xt表示圆整后的离散设计变量值，X 3表示标准备选池中的标准值，X1表示随 机产生的连续变量值。
[0048] 运用该函数对设计变量进行离散化处理时