综合考虑加工精度与气动性能的离心压气机叶轮再设计方法技术

综合考虑加工精度与气动性能的离心压气机叶轮再设计方法，它包含以下步骤：一、叶轮几何模型的设计：二、数据样本采集：根据叶轮几何模型选择合适的叶轮设计变量和气动性能目标函数，确定叶轮设计变量的设计范围；三、相关性分析；四、建立代理模型：根据新的设计变量样本点以及对应的气动性能目标函数建立近似模型；五、代理模型精度验证；六、优化算法：根据优化数学模型采用优化算法对近似模型寻最优值；七、叶轮加工与镜像补偿：根据得到的总体加工误差采用镜像误差补偿法对优化叶轮模型进行补偿，得到补偿叶轮模型，本发明专利技术保证了叶轮的加工精度在制造公差范围内，均衡折中达到了叶轮的高精度与高性能要求。轮的高精度与高性能要求。轮的高精度与高性能要求。

【技术实现步骤摘要】
综合考虑加工精度与气动性能的离心压气机叶轮再设计方法


[0001]本专利技术属于数控机床加工精度
，涉及一种综合考虑加工精度与气动性能的离心压气机叶轮再设计方法。

技术介绍

[0002]离心压气机在航空发动机的发展历程中一直占有重要地位，也在现代社会中发挥着越来越重要的作用，广泛应用于航空航天、能源动力、船舶、化工等领域。随着现代社会对动力装置的性能要求越来越高，而叶轮作为离心压气机中的重要组成部分，叶轮的气动性能将直接影响到离心压气机的工作性能，以同时满足叶轮的高效率与高精度要求为目标，叶轮必然会朝着高效率、高精度的方向发展。
[0003]在叶轮的加工过程中，通常存在机床自身工艺系统误差、切削力变形误差、热变形误差、测量误差等不可避免的加工误差，导致最终加工得到的实际模型与理论模型存在较大的几何偏差，气动性能有一定的下降，将直接影响离心压气机的工作性能无法达到预期要求。
[0004]传统的加工误差补偿方法为：在线误差补偿技术与离线误差补偿技术。在线误差补偿技术主要通过硬件设施来实现，实时监测分析零件在加工过程中的误差变形情况，并通过设备将误差信息数据实时反馈给数控系统实现对加工误差的补偿；离线误差补偿技术一般通过在机测量等方式得到实际加工叶片测点，通过与理论叶片测点对比分析得到误差数据，采用镜像误差补偿法对加工误差进行补偿获得补偿点集，进而拟合点集得到补偿后的叶型数据，从而改进走刀路径，实现对叶片曲面加工误差的补偿。
[0005]在实际加工误差补偿中，补偿结果由于受不同补偿策略、拟合精度、加工不确定性等影响，很难保证补偿的准确性，目前对叶轮的加工误差补偿新方法研究较少，因此，找到一种可以在补偿前的考虑加工精度和气动性能的叶轮再设计方法对同时保证叶轮的加工精度和提升气动性能意义重大。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服现有技术的不足，提供一种综合考虑加工精度与气动性能的离心压气机叶轮再设计方法。本专利技术采用实验设计方法与代理模型相结合，再通过遗传算法寻最优，对优化后的叶轮模型进行镜像误差补偿，在叶轮制造公差范围内使实际加工叶轮的气动性能相较于仅采用镜像误差补偿法更接近理论模型的气动性能。
[0007]综合考虑加工精度与气动性能的离心压气机叶轮再设计方法包含以下步骤：
[0008]一、叶轮几何模型的设计：确定叶轮的设计工况参数，通过叶轮建模软件设计叶轮几何模型，之后采用计算流体动力学分析方法将叶轮几何模型导入Turbogrid中建立单流道网格模型，再导入CFX软件进行计算流体动力学分析，得到叶轮的气动性能目标函数，如果得到的气动性能小于设定值，则通过不断修改叶轮的几何参数建立新的叶轮几何模型，直至设计出气动性能满足要求的叶轮几何模型；
[0009]二、数据样本采集：根据叶轮几何模型选择合适的叶轮设计变量和气动性能目标函数，确定叶轮设计变量的设计范围，采用实验设计方法在设计变量的设计范围内按数目M生成设计变量样本点，数目M初始为80，在叶轮建模软件中建立M组叶轮几何模型，对M组叶轮几何模型重复步骤一，得到M组样本点对应的气动性能目标函数；
[0010]三、相关性分析：根据步骤二得到的M组样本点，采用协方差方法计算设计变量对气动性能目标函数的影响程度，保留对气动性能目标函数影响较大的设计变量，筛除影响程度较小的设计变量；
[0011]四、建立代理模型：根据步骤三确定的新的设计变量，采用实验设计方法在设计范围内按数目N生成样本点，数目N初始为40，采用与步骤一相同的计算流体动力学分析方法得到N组样本点对应的气动性能目标函数，根据新的设计变量样本点以及对应的气动性能目标函数建立近似模型；
[0012]五、代理模型精度验证：采用实验设计方法在设计范围内按数目P生成样本点，数目P初始为20，采用与步骤一相同的计算流体动力学分析方法得到P组样本点对应的目标函数，将P组样本点作为测试集，采用多重决定系数与均方根差作为误差分析方法对代理模型的精度进行评估，判断代理模型的精度是否满足要求，如不满足精度要求则重复步骤四，增大数目N的样本点数量，再对新建立的代理模型进行精度验证，直至满足精度要求；
[0013]六、优化算法：根据步骤二的叶轮的设计变量与气动性能目标函数建立优化数学模型，根据优化数学模型采用优化算法对近似模型寻最优值，当气动性能目标函数相邻两次优化值的变化小于设定值时即为收敛，将所得的优化设计变量采用与步骤一相同的计算流体动力学分析方法，当得到的最优气动性能目标函数的预测值与计算流体动力学分析得到的计算值相对误差小于设定值时，优化结束，反之则将这组最优样本点添加至代理模型中，重复步骤六，直至预测值与计算值的相对误差小于设定值；
[0014]七、叶轮加工与镜像补偿：通过五轴数控机床加工叶轮理论模型，采用在机测量技术得到实际加工叶轮的叶片测点数据，与叶轮理论模型的叶片测点数据对比得到总体加工误差，根据优化后设计变量建立优化叶轮模型，根据得到的总体加工误差采用镜像误差补偿法对优化叶轮模型进行补偿，得到补偿叶轮模型，通过五轴数控机床加工补偿叶轮模型，保证两次加工的工况条件相同。
[0015]本专利技术相比现有技术的有益效果是：
[0016]本专利技术的叶轮再设计方法，采用实验设计方法、代理模型、遗传算法寻优得到约束内的叶轮气动性能最优值，再通过镜像误差补偿法得到优化补偿后的叶轮。使实际加工叶轮得到的叶轮气动性能相较于仅采用镜像误差补偿法更接近理论模型的气动性能，又能保证叶轮的加工精度在制造公差范围内，综合考虑叶轮的加工精度与气动性能，均衡折中达到了叶轮的高精度与高性能要求。
[0017]本专利技术与传统方法相比，相对于在线误差补偿技术，不需要实时监测系统所需的昂贵设备；相对于离线误差补偿技术，通过引入实验设计方法(数据样本采集)、代理模型、优化算法相结合的多目标优化方法来实现叶轮补偿前的再设计问题，再采用离线误差补偿技术中的镜像误差补偿法使补偿效果更好，加工得到叶轮零件的气动性能更接近于理论模型的目标气动性能，对叶轮的气动性能补偿具有重要意义；相对于多目标优化方法，将此方法应用于叶轮加工中，同时考虑叶轮的气动性能和加工精度，对实际工业生产有着重大的
意义。
[0018]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步地说明：
附图说明
[0019]图1为本专利技术综合考虑加工精度与气动性能的离心压气机叶轮再设计方法的流程图；
[0020]图2为实施例中最优拉丁超立方设计法的采样示意图；
[0021]图3为快速非支配排序遗传算法(NSGA
‑
II)的示意图；
[0022]图4为镜像误差补偿法原理的示意图；
[0023]图5为实施例中叶轮理论模型的示意图；
[0024]图6为实施例中压气机叶轮工作范围内的流量等熵效率性能曲线图；
[0025]图7为实施例中压气机叶轮工作范围内的流量总压比性能曲线图；
[0026]图8为实施例中轮毂厚度与轮缘上三个控制点的示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.综合考虑加工精度与气动性能的离心压气机叶轮再设计方法，其特征在于：包含以下步骤：一、叶轮几何模型的设计：确定叶轮的设计工况参数，通过叶轮建模软件设计叶轮几何模型，之后采用计算流体动力学分析方法将叶轮几何模型导入Turbogrid中建立单流道网格模型，再导入CFX软件进行计算流体动力学分析，得到叶轮的气动性能目标函数，如果得到的气动性能小于设定值，则通过不断修改叶轮的几何参数建立新的叶轮几何模型，直至设计出气动性能满足要求的叶轮几何模型；二、数据样本采集：根据叶轮几何模型选择合适的叶轮设计变量和气动性能目标函数，确定叶轮设计变量的设计范围，采用实验设计方法在设计变量的设计范围内按数目M生成设计变量样本点，数目M初始为80，在叶轮建模软件中建立M组叶轮几何模型，对M组叶轮几何模型重复步骤一，得到M组样本点对应的气动性能目标函数；三、相关性分析：根据步骤二得到的M组样本点，采用协方差方法计算设计变量对气动性能目标函数的影响程度，保留对气动性能目标函数影响较大的设计变量，筛除影响程度较小的设计变量；四、建立代理模型：根据步骤三确定的新的设计变量，采用实验设计方法在设计范围内按数目N生成样本点，数目N初始为40，采用与步骤一相同的计算流体动力学分析方法得到N组样本点对应的气动性能目标函数，根据新的设计变量样本点以及对应的气动性能目标函数建立近似模型；五、代理模型精度验证：采用实验设计方法在设计范围内按数目P生成样本点，数目P初始为20，采用与步骤一相同的计算流体动力学分析方法得到P组样本点对应的目标函数，将P组样本点作为测试集，采用多重决定系数与均方根差作为误差分析方法对代理模型的精度进行评估，判断代理模型的精度是否满足要求，如不满足精度要求则重复步骤四，增大数目N的样本点数量，再对新建立的代理模型进行精度验证，直至满足精度要求；六、优化算法：根据步骤二的叶轮的设计变量与气动性能目标函数建立优化数学模型，根据优化数学模型采用优化算法对近似模型寻最优值，当气动性能目标函数相邻两次优化值的变化小于设定值时即为收敛，将所得的优化设计变量采用与步骤一相同的计算流体动力学分析方法，当得到的最优气动性能目标函数的预测值与计算流体动力学分析得到的计算值相对误差小于设定值时，优化结束，反之则将这组最优样本点添加至代理模型中，重复步骤六，直至预测值与计算值的相对误差小于设定值；七、叶轮加工与镜像补偿：通过五轴数控机床加工叶轮理论模型，采用在机测量技术得到实际...

【专利技术属性】
技术研发人员：项四通，周涛，虞奔，劳静文，李浓，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：