转子系统多目标优化技术研究

　　随着航空发动机性能的不断提升和工作稳定性要求的日益苛刻，先进航空发动机转子系统逐渐呈现出柔性化和复杂化的特点。要设计出满足要求并付诸工程应用的转子系统，一个主要的制 约因素就是如何减小转子系统的振动。减小振动一般以减小振幅为主要目标，但是对于日益复杂的转子系统，转子设计过程中存在多个调整目标、大量的可变参数和限制条件，使得设计或调整 的过程变得十分繁杂浩大。单纯依靠验证性的传统设计思路已经不能满足现阶段的设计需求，迫切需要一种更加理想的设计方法，对实际转子系统的振动水平进行优化设计。针对航空发动机转子 系统的特性，本文利用多学科优化技术，对高速柔性转子系统进行了数值模拟、优化设计和实验研究，旨在将优化设计融入转子的设计过程中，从而提高转子设计的效率，提升转子运行的安全 性。

　　黄晶晶，　女，博士，西安石油大学讲师，主要作品有《双盘转子系统优化算法与实验双盘转子系统优化算法与实验》、《基于第二代非支配排序遗传算法的转子优化设计》、《双盘转子系统动力特 性分析及优化设计》等。

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究进展

1.2.1转子动力学研究历史和现状

1.2.2转子优化设计研究历史和现状

1.3研究内容和结构

第2章转子系统的优化策略及流程

2.1多目标优化

2.1.1向量的自然序

2.1.2解的占优关系

2.1.3Pareto最优解和Pareto前沿

2.2优化策略确定

2.2.1优化目标的确定

2.2.2优化变量的确定

2.2.3优化约束的确定

2.3优化流程设计

2.3.1iSIGHT对优化问题的表达

2.3.2优化流程

2.4小结

第3章优化过程的实现

3.1转子动力特性分析

3.1.1模型建立

3.1.2模态分析

3.1.3瞬态响应分析

3.2转子系统变形能

3.2.1变形能计算的力学基础

3.2.2发动机转子变形能的实际计算

3.3Ansys与iSIGHT接口技术

3.4优化算法的选择

3.4.1NSGAⅡ优化算法

3.4.2优化三要素

3.4.3优化结果

3.4.4实验验证

3.5小结

第4章不同支点布局的双盘转子系统优化设计

4.1军、民用航空发动机转子系统支承方案分析

4.1.1军用发动机转子系统支承方案

4.1.2民用发动机转子系统支承方案

4.2转子系统支点布局优化设计

4.2.1101支承方案下的转子系统动力特性分析及优化设计

4.2.2011支承方案下的转子系统动力特性分析及优化设计

4.2.3110支承方案下的转子系统动力特性分析及优化设计

4.2.4020支承方案下的转子系统动力特性分析及优化设计

4.2.5四种支承方案优化效果比较（表412）

4.3小结

第5章转子系统支承特性与位置优化设计

5.1支承结构

5.1.1中介轴承

5.1.2挤压油膜阻尼器

5.1.3弹性支座

5.2支承刚度的优化

5.2.1支承刚度K1的优化

5.2.2支承刚度K2的优化

5.2.3支承刚度K1和K2的优化

5.2.4支承刚度优化结果比较

5.3支承位置的优化

5.3.1支承1位置K1_P的优化及实验验证

5.3.2支承2位置K2_P的优化

5.3.3支承位置K1_P、K2_P的优化及实验验证

5.3.4支承位置优化结果的比较

5.4支承阻尼的优化

5.5小结

第6章转子系统转子质量与刚度分布优化设计

6.1转盘位置的优化

6.1.1转盘位置Disk1_P的优化及实验验证

6.1.2转盘位置Disk2_P的优化及实验验证

6.1.3转盘位置Disk1_P和Disk2_P的优化及实验验证

6.2转盘质量的优化

6.3转子系统质量分布的优化

6.4转轴半径的优化

6.5小结

第7章动力涡轮模拟转子系统优化设计

7.1动力涡轮模拟转子AR1的动力特性计算及其优化

7.1.1模型分析

7.1.2模态分析 

7.1.3稳态不平衡响应

7.1.4动力涡轮模拟转子AR1优化方案

7.1.5输出轴材料为40CrNiMoA的优化结果

7.1.6输出轴材料为GH4169的优化结果

7.2动力涡轮模拟转子AR2的优化及其实验验证

7.2.1模型分析

7.2.2模态分析

7.2.3动力涡轮模拟转子AR2的优化方案

7.2.4动力涡轮模拟转子AR2的优化结果

7.2.5动力涡轮模拟转子AR2优化结果实验验证

7.3动力涡轮模拟转子AR2理论最优分析

7.4小结

第8章总结与展望

8.1工作总结

8.2主要创新点

8.3研究展望

参考文献