基于混合遗传算法的转子系统优化设计

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1、*基于混合遗传算法的转子系统优化设计王东华刘占生窦唯(哈尔滨工业大学能源科学与动力工程学院哈尔滨150001)摘要转子系统的临界转速是航空发动机设计过程中的重要参数。在临界转速远离工作转速时，转子系统才能安全可靠的工作。如何设计转子系统的结构使设计后的临界转速达到要求，而且结构改变量尽可能小，是转子动力学最优化设计研究的重点之一。在分析已有研究模型的基础上增加约束条件提出一种更完善的临界转速最优化设计模型，无需考虑设计变量个数和设计临界转速个数的关系，及预先给定的临界转速是否可在设计变量对应的临界转速空间内取到，均能找到满意的设计方案。针对该模型的最优

2、化求解，设计出一种结合遗传算法和复合形方法的混合遗传算法，可以有效的提高搜索到全局最优解的搜索速度。对一转子系统进行临界转速优化设计，验证了该模型可以有效的取得满足设计要求的最优设计方案，适用于工程实际的转子系统临界转速最优化设计过程。关键词：遗传算法-复合形混合算法；转子系统；临界转速；优化设计中图分类号：TH133.3[2]1引言在这一设计问题中，例如坐标轮换法、增[4][7]转子系统的临界转速是旋转机械设计广拉格朗日乘子法、一维搜索法等传统[1,6]过程中必须考虑的一个重要参数。如果所设优化方法，和遗传算法、免疫-遗传混合[10]计的转子系统的临

3、界转速在其工作转速附算法等基于人工智能的现代优化算法。传近，系统就会出现较大的振动，可能酿成重统优化方法一般收敛速度较快，但是却对数大事故。因此在临界转速不满足设计要求学模型要求比较苛刻，且极易收敛到局部最时，就要调整转子系统的结构参数，例如转优解或目标值变化缓慢的区域。遗传算法具轴的长度、直径、轮盘的尺寸等，或者轴承有全局搜索能力强，鲁棒性好的优点，却在的支承刚度和阻尼系数，来改变转子的临界遗传操作设置不当时容易出现过早收敛或转速，使之满足安全运行的要求。另一方面，者是进化后期收敛缓慢的问题。遗传算法和转子结构参数的改变会导致其它附件，例如其它算法的

4、混合，可以充分利用各种算法的机匣尺寸、附属装置位置等，也需随之做适特性，扬长避短，往往具有更好的优化性能。当的修改，增长了设计周期，并可能增加系本文针对转子系统的临界转速最优化统重量和占用空间，因此在满足临界转速要设计问题，分析了文献[8,9]中的最优化设计求的前提下系统改变量越小越好。如何有效模型（模型Ⅰ），并提出一种更完善的设计地改变系统参数才能使临界转速达到预定模型（模型Ⅱ），增加了约束条件更符合工临界转速，并且系统参数改变量尽可能小，程实际的设计需求，消除了模型Ⅰ可能存在是一个比较复杂的问题。此时，若仅依据经的求解失效的问题，并设计出一种结合遗

5、传验来进行多次反复试算，设计过程将非常繁算法和复合形法的遗传-复合形混合算法对琐，耗费大量的人力和时间，而且很难得到该最优化问题进行了求解。通过算例验证了满足要求的最优设计方案。提出的转子系统优化模型的有效性，比模型国内外很多学者在转子系统的最优化Ⅰ具有更高的计算精度和更广泛的应用空设计研究中已经考虑了临界转速这一重要间。参数，由于系统需求的不同，有些学者将临[1-6]界转速远离工作转速作为约束条件，而2转子系统优化模型另外一些学者则将临界转速逼近预定临界[7-9]假设某转子系统有q阶临界转速转速作为优化目标。许多优化方法被用*第一作者、通讯作者：王东

6、华,男，博士生，1981年10月生，wangdonghua@hit.edu.cn，0451-86413242态的改变而改变，因此一次计算并不能取得NP(Δ)需要最优化设计，预定临界转速为预定的临界转速，需要进行多次迭代才能取得满意的结果，不过收敛速度较快，一般经N，存在n个结构参数作为设计变量。若d过几次迭代就可满足设计要求。不过该模型存在满足临界转速设计要求的一组设计变存在一些不足，限制了它的工程应用范围，量参数组成的解ΔP，则满足主要表现在：ò没有考虑设计变量的边界及其它限制ΔΔNNPN=()−=0(1)d条件，而工程实际的转子系统在设计过程中在工

7、程中的转子的优化设计过程中，并转轴的长度和直径、轴承参数等设计变量总不需使设计后的解所对应的临界转速严格受系统的结构布局等因素的制约，所以该模等于对应目标临界转速数值，即最优解无需型求出的最优解可能不满足设计需求，限制了该模型的使用范围，只能应用于简单的转严格满足上述的等式条件，只要Δ

8、ΔN对ΔP的非奇根据经验和需求指定的，存在一定的盲目异的灵敏度矩阵J，利用Taylor展开方法