【摘 要】
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复杂装备如航空发动机外部管路系统是由几百根满足装配约束规则的管路和卡箍构成,其中管路和卡箍的合理布局对复杂装备的振动性和设计效率具有重要影响。由于管路、卡箍和机匣存在装配约束关系,因此管路的设计过程十分复杂且耗时。本文以航空发动机为研究对象,在基本工程规则的约束下,应用智能优化和近似模型等方法对管路-卡箍的几何布局和振动优化设计问题进行了预研和探索。在管路-卡箍几何布局优化方面,提出了一种改进的灰
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复杂装备如航空发动机外部管路系统是由几百根满足装配约束规则的管路和卡箍构成,其中管路和卡箍的合理布局对复杂装备的振动性和设计效率具有重要影响。由于管路、卡箍和机匣存在装配约束关系,因此管路的设计过程十分复杂且耗时。本文以航空发动机为研究对象,在基本工程规则的约束下,应用智能优化和近似模型等方法对管路-卡箍的几何布局和振动优化设计问题进行了预研和探索。在管路-卡箍几何布局优化方面,提出了一种改进的灰狼优化算法（Gray Wolf Optimization,GWO）对其进行优化布局设计。在卡箍位置固定的前提下,本文以安装座卡箍为例,建立管路-卡箍的管路路径模式,保证满足卡箍与管路的装配约束关系,再以路径长度最小为优化目标,以管路合理避障为约束对管路始末点抻出长度、卡箍抻出长度和卡箍旋转角度进行编码,最后对路径拐点进行倒圆处理。同时为了提高GWO的搜索性能,针对其收敛因子进行改进。采用改进GWO优化算法得到管路-卡箍一次布局设计方案,从而实现优化管路-卡箍空间布局的目的。为了进一步提高管路-卡箍系统的稳定性,避免与发动机发生共振,提出一种基于Kriging模型和改进灰狼算法的管路和卡箍二次布局设计优化方法。通过应用Kriging模型和改进GWO优化算法对卡箍位置进行优化调整。该方法在已有管路-卡箍几何布局方案基础上,以调节管路-卡箍固有频率避过共振为主要优化目标,以管路避障、管路-卡箍满足装配约束等为约束条件,应用改进GWO算法对卡箍位置进行二次优化调整。考虑到卡箍与管路具有装配约束关系,同时为了不影响管路几何布局方案,建立基于管路投影线的卡箍位置优化空间。为提高计算效率,建立反映卡箍位置和管路固有频率的Kriging代理模型,在优化过程中代替有限元计算程序。该方法可在保证管路几何布局微调的前提下,对卡箍位置进行优化,且可保证管路与卡箍满足装配约束关系,从而实现管路-卡箍布局的二次优化设计。在算法实现和系统开发方面,考虑到行业惯例和软件特点,应用Siemens NX软件建立CAD模型,采用MATLAB软件进行算法的实现和计算,两者通过TXT文本数据实现软件交互,并应用Siemens NX/Grip二次开发程序完成管路-卡箍的布局设计方案的可视化。为了建立Kriging模型的样本空间,所以采用ANSYS Workbench 17.0有限元分析软件进行样本响应值的分析和计算。本文的算法均通过上述系统平台实现,最终通过管路-卡箍布局算例验证了其可行性。
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