基于双循环的离心叶轮多学科可靠性优化设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronautlcaSinicaApt．252012V01．33No．4650—657ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．GRhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)04—0650—08基于双循环的离心叶轮多学科可靠性优化设计于明，刘永寿。，李磊，李元生，岳珠峰西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安710129摘要：针对传统多学科设计优化方法中未能考虑不确定因素的问题。开展基于可靠性的多学科设计优化(RBMD0)方法的研究。以离心式压

2、气机叶轮为对象，综合考虑工作状况和材料参数等随机性因素的影响。利用改进的一次二阶矩(AFOSM)法进行可靠性分析，通过双循环策略将多学科可行优化方法与可靠性分析相结合，合理引入近似技术．建立了基于可靠性的多学科设计优化系统。对某离心叶轮进行多学科可靠性优化设计的算例表明，在满足所有可靠性指标的前提下，该方法可实现离心叶轮综合性能的提高，并有效地缩减设计周期。关键词：离心叶轮；多学科设计优化，可靠性分析}改进的一次二阶矩；近似技术中图分类号{V231．3文献标识码：A工业产品在制造、加工和工作过程中存在诸如材料、尺寸及荷载等因素的离散性和随机性，这些不确定性因素常导致

3、产品性能降低，甚至功能丧失。传统的确定性设计优化得到的最优解往往落在可行域边界上，当系统由于不确定性因素影响而使得性能发生波动时，设计方案有可能落入失效区域，为了保证设计方案的可靠性，必须综合考虑不确定性因素的影响来进行设计优化。离心叶轮是涡轮增压器的重要组成部分，其构造复杂，工作环境恶劣，涉及气动、传热、结构、振动等众多耦合学科，由于学科间存在耦合且不确定性因素在学科问的传递，使得设计复杂性增大。因此如何综合考虑不确定性因素的影响对离心叶轮进行多学科设计优化(MultidisciplinaryDesignOpti—mization，MDO)成为目前的研究热点。近年

4、来，国内外学者对此展开研究，提出了不少基于可靠性的设计优化策略。典型的策略主要有3类，即双循环(Double-loop)方法、单循环(Single-loop)方法[11和解耦方法(DecoupledMethods)[2．3

5、。双循环方法通过一个嵌套循环结构将可靠性分析与优化过程结合起来，内环进行可靠性分析，外环为优化循环。单循环方法和解耦方法的共同点为通过引入一个近似确定性约束条件来代替概率约束进行优化，并在优化过程中实时更新近似约束。与单循环和解耦方法相比，双循环方法有着结构简单清晰、容易实现的特点，是目前工程领域最为常用的方法。本文基于双循环的可靠性设计优化策略

6、，综合考虑工况、材料等不确定性因素的影响，以多学科可行优化(Multi—disciplinaryFeasibleDesignOptimization，MDF)方法实现了离心叶轮多学科分析，并结合Kriging方法构建近似模型，采用改进的一次二阶矩(AdvancedFirstOrderandSecondMoment，AFOSM)法进行可靠性分析，开展了基于可靠性收稿日期：2011·06．25；退修日期：2011-07—14；录用日期：2011-08-28；网络出版时问：201I-12．2312：26网络出版地址：WWWmkinet／kcms／detail／11．192

7、9．V．20”1223．1225．002．htmlOOI：CNKI：11．1929／V20111223．1225002基金项目：国家。863”计划(2009AA042418)：“111”计划(B07050)i中国博士后科学基金(20100471634)；西北工业大学创业种子基金(Z2010027)*通讯作者Tel．：029-88495540E-mail：yongshouliu@nwpu．edu∞飘屑蓥武lYuM．LiuYS．LIL，etal．Reliab／Tity-basedmultidisaiptinarydesignoptimizationofcentrifug

8、alimpellerwithdouble-loopstrafe．gYActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2012，33‘4)：65蚰57，于爨。赳采寿r季磊，等．基于震器环鹤蠢心叶轮多学科可靠性优亿设计，靛空学报．2012。33(4>：650-657．于明等：基于双循环的离心叶轮多学科可靠性优化设计651的多学科设计优化(RBMD0)方法在离心叶轮设计中的应用研究。1离心叶轮RBMDO模型1．1离心叶轮的多学科分析离心式压气机工作环境涉及气动、传热、结构等学科，内部存在着流一热一固耦合，本文基于耦合信息传递技术实现离心叶轮多学