一种发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计方法技术

本发明专利技术公开了一种发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计方法，该方法包括以下步骤：建立发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型；采用拉丁超立方采样法对设计变量和不确定参数进行采样，通过协同仿真技术获取样本点，建立预测目标和约束函数中定子端固定结构各动态特性指标值的Kriging模型；利用基于区间角重合度系数和整体性能稳健均衡指数的双层嵌套遗传算法进行迭代寻优，求得定子端固定结构动态特性的最优设计方案。本发明专利技术引入区间角重合度系数，可根据不同工况下定子端固定结构需满足的稳健性要求，灵活便捷地获得使各动态特性指标稳健均衡的发电机定子端固定结构设计方案。

A robust equalization design method for the dynamic characteristics of fixed structure of generator stator end

【技术实现步骤摘要】
一种发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计方法
本专利技术属于机械结构设计领域，尤其涉及一种发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计方法。
技术介绍
在汽轮发电机工作过程中，当发电机定子端固定结构的固有频率接近电磁力激振频率或激振频率的倍数时，会导致定子端固定结构出现共振或高频谐振。汽轮发电机运行过程中不可避免地会发生各种短路、重合闸等故障运行工况。在故障工况下，发电机定子绕组的最大电流将达正常运行时的数倍甚至10倍以上，而定子端部绕组及其固定结构在电磁力作用下的振幅与电流的平方成正比，因此，在故障工况下，定子端固定结构所承受的电磁力及其引起的振动将显著增大，产生严重危害。因此，发电机定子端固定结构设计中需充分考虑其动态特性指标，使其低阶固有频率避开电磁力激振频率或其倍数，以防止出现共振和高频谐振，保证发电机安全可靠运行。由于汽轮发电机工作过程中需避开的激振频率不止一个，且当某阶固有频率远离激振频率时，其相邻阶固有频率往往会靠近激振频率，因此，定子端固定结构动态特性优化设计需综合考虑其各阶固有频率的整体分布情况，使其各阶固有频率偏离激振频率的程度达到均衡，即实现各阶固有频率的稳健性均衡设计。另一方面，由于热处理和机械加工误差，汽轮发电机定子端固定结构的材料属性存在不确定性，这些不确定性会导致其动态特性指标产生一定的波动。因此，发电机定子端固定结构动态特性设计中必须充分考虑这些客观存在的不确定性。由于这些不确定性因素的样本稀少，故采用区间数来描述不确定性。在区间不确定性的影响下，汽轮发电机各阶固有频率也为区间数。为此，本专利技术提出了一种基于区间的汽轮发电机定子端固定结构动态特性稳健均衡设计方法，利用基于区间角重合度系数和整体性能稳健均衡指数的双层嵌套遗传算法进行迭代寻优，获得了材料不确定性影响下具有良好抗振性能的发电机定子端固定结构设计方案。
技术实现思路
为解决实际工程中汽轮发电机定子端固定结构的抗振设计问题，本专利技术提供了一种发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计方法，采用区间变量描述影响发电机定子端固定结构动态特性的不确定性因素，建立发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型；采用拉丁超立方采样法对设计变量和不确定参数进行采样，通过协同仿真技术获取样本点，建立预测目标和约束函数中定子端固定结构各动态特性指标值的Kriging模型；利用基于区间角重合度系数和整体性能稳健均衡指数的双层嵌套遗传算法进行迭代寻优，求得定子端固定结构动态特性的最优设计方案。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计方法，包括以下步骤：1)建立发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型：将定子端固定结构截面的关键尺寸作为设计变量，考虑定子端固定结构材料弹性模量和密度的不确定性，并将不确定性描述为区间变量；分析初始设计方案各阶固有频率中最接近激振频率的固有频率具体阶数，同时考虑这些固有频率在不确定性影响下变化区间的中点和宽度，以使其尽可能远离激振频率且在不确定性影响下的波动小为目标，建立目标函数的表达式；根据定子端固定结构动态特性设计的其它要求建立约束函数的表达式，进而建立发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型：其中,imin(t)＝miin{ft-fi(x0)}(i＝1,2,3,…)fiC(x)＝(fiL(x)+fiR(x))/2；fiW(x)＝fiL(x)-fiR(x)；s.t.其中，x＝(x1,x2,…,xn)；U＝(U1,U2,…,Um).其中，x为n维设计向量，U为m维区间不确定参数向量，Ft(x)表示第t个目标性能指标，NO为目标函数的个数；x0为初始设计向量，ft为第t个需避开的激振频率，imin(t)为初始设计方案各阶固有频率中最靠近第t个激振频率ft的固有频率阶数，fi(x0)为未考虑不确定性时初始设计方案的第i阶固有频率，为发电机定子端固定结构各阶固有频率中最接近ft的那阶固有频率在不确定性参数向量U影响下变化区间的中点，为发电机定子端固定结构各阶固有频率中最接近ft的那阶固有频率在不确定性参数向量U影响下变化区间的宽度；fi(x,U)表示定子端固定结构的第i阶固有频率；fiL(x)、fiR(x)、fiC(x)和fiW(x)为第i阶固有频率变化区间的下界、上界、中点和宽度；Gj(x)为第j个约束函数中定子端固定结构的动态特性指标值，NG为约束函数的个数，和分别为其变化区间的下界与上界，Bj为第j个约束函数中给定的区间常数，其区间宽度为和为Bj的下界和上界，gj(x,U)为第j个约束函数中设计向量x在不确定参数向量U影响下的变化区间；2)采用拉丁超立方采样法(LHS)对发电机定子端固定结构的设计变量和不确定参数进行采样，通过协同仿真技术获取各样本点的响应值，建立预测目标函数和约束函数中定子端固定结构各动态特性指标值的Kriging模型；3)利用双层嵌套遗传算法求解发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型，获得使定子端固定结构动态特性整体稳健性最均衡的设计向量；具体包括以下子步骤：3.1)双层嵌套遗传算法初始化设置，生成初始种群；3.2)在遗传算法内层，利用步骤2)建立的Kriging模型计算得到当前种群个体的目标和约束函数中各动态特性指标变化区间的上下界fiR(x)、fiL(x)、并计算约束性能指标Gj(x)的区间角上下界αjR(x)、αjL(x)、区间角宽度αjW(x)以及给定常数Bj的区间角上下界和宽度αjW(x)＝αjR(x)-αjL(x)βjR＝π/2βjW＝βjR-βjL其中，hj为表征约束稳健性要求严苛程度的敏感度因子，根据不同工况下定子端固定结构需满足的稳健性要求进行赋值；3.3)在遗传算法外层，基于各约束性能指标的区间角重合度系数计算结果，将当前种群个体的设计向量区分为可行设计向量和不可行设计向量，具体步骤如下：3.3.1)计算当前种群个体αjR(x)与的区间角重合度系数ocbajRL(x)，αjL(x)与的区间角重合度系数ocbajLL(x)，αjR(x)与βjR的区间角重合度系数ocbajRR(x)，αjL(x)与βjR的区间角重合度系数ocbajLR(x)：3.3.2)根据区间角重合度系数ocbajRL(x)(j＝1,2,…,NG)的值对当前种群个体所对应的设计向量进行分类：若某个体的所有约束函数均满足0≤ocbajRL(x)＜1(j＝1,2,…,NG)，则该个体对应的设计向量x为可行解；若对某个体而言，存在某区间约束的区间角重合度系数ocbajRL(x)＝1(j∈{1,2,…,NG})，则该个体对应的设计向量x为不可行解，且可由区间角重合度系数计算其区间约束总违反度V(x)：3.4)根据整体性能稳健均衡指数和区间约束总违反度对当代种群的所有个体进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计方法，其特征在于，包括：/n1)建立发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型：将定子端固定结构截面的关键尺寸作为设计变量，考虑定子端固定结构材料弹性模量和密度的不确定性，并将不确定性描述为区间变量；分析初始设计方案各阶固有频率中最接近激振频率的固有频率具体阶数，同时考虑这些固有频率在不确定性影响下变化区间的中点和宽度，以使其尽可能远离激振频率且在不确定性影响下的波动小为目标，建立目标函数的表达式；根据定子端固定结构动态特性设计的其它要求建立约束函数的表达式，进而建立发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型：/n

【技术特征摘要】
1.一种发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计方法，其特征在于，包括：
1)建立发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型：将定子端固定结构截面的关键尺寸作为设计变量，考虑定子端固定结构材料弹性模量和密度的不确定性，并将不确定性描述为区间变量；分析初始设计方案各阶固有频率中最接近激振频率的固有频率具体阶数，同时考虑这些固有频率在不确定性影响下变化区间的中点和宽度，以使其尽可能远离激振频率且在不确定性影响下的波动小为目标，建立目标函数的表达式；根据定子端固定结构动态特性设计的其它要求建立约束函数的表达式，进而建立发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型：



其中,
fiC(x)＝(fiL(x)+fiR(x))/2；
fiW(x)＝fiL(x)-fiR(x)；






s.t.



其中，
x＝(x1,x2,…,xn)；
U＝(U1,U2,…,Um).
其中，x为n维设计向量，U为m维区间不确定参数向量，Ft(x)表示第t个目标性能指标，NO为目标函数的个数；x0为初始设计向量，ft为第t个需避开的激振频率，imin(t)为初始设计方案各阶固有频率中最靠近第t个激振频率ft的固有频率阶数，fi(x0)为未考虑不确定性时初始设计方案的第i阶固有频率，为发电机定子端固定结构各阶固有频率中最接近ft的那阶固有频率在不确定性参数向量U影响下变化区间的中点，为发电机定子端固定结构各阶固有频率中最接近ft的那阶固有频率在不确定性参数向量U影响下变化区间的宽度；fi(x,U)表示定子端固定结构的第i阶固有频率；fiL(x)、fiR(x)、fiC(x)和fiW(x)为第i阶固有频率变化区间的下界、上界、中点和宽度；Gj(x)为第j个约束函数中定子端固定结构的动态特性指标值，NG为约束函数的个数，和分别为其变化区间的下界与上界，Bj为第j个约束函数中给定的区间常数，其区间宽度为和为Bj的下界和上界，gj(x,U)为第j个约束函数中设计向量x在不确定参数向量U影响下的变化区间；
2)采用拉丁超立方采样法(LHS)对发电机定子端固定结构的设计变量和不确定参数进行采样，通过协同仿真技术获取各样本点的响应值，建立预测目标函数和约束函数中定子端固定结构各动态特性指标值的Kriging模型；
3)利用双层嵌套遗传算法求解发电机定子端固定结构动态特性的稳健均衡设计模型，获得使定子端固定结构动态特性整体稳健性最均衡的设计向量；具体包括以下子步骤：
3.1)双层嵌套遗传算法初始化设置，生成初始种群；
3.2)在遗传算法内层，利用步骤2)建立的Kriging模型计算得到当前种群个体的目标和约束函数中各动态特性指标变化区间的上下界fiR(x)、fiL(x)、并计算约束性能指标Gj(x)的区间角上下界αjR(x)、αjL(x)、区间角宽度αjW(x)以及给定常数Bj的区间角上下界和宽度






αjW(x)＝αjR(x)-αjL(x)
βjR＝π/2



βjW＝βjR-βjL
其中，hj为表征约束稳健性要求严苛程度的敏感度因子，根据不同工况下定子端固定结构需满足的稳健性要求进行赋值；
3.3)在遗传算法外层，基于各约束性能指标的区间角重合度系数计算结果，将当前种群个体的设计向量区分为可行设计向量和不可行设计向量，具体步骤如下：
3.3.1)计算当前种群个体αjR(x)与的区间角重合度系数ocbajRL(x)，αjL(x)与的区间角重合度系数ocbajLL(x)，αjR(x)与βjR...

【专利技术属性】
技术研发人员：程锦，王荣，钱炀明，胡伟飞，刘振宇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33