[发明专利]一种叶片模型的材料分布优化方法

说明书

本发明公开一种叶片模型的材料分布优化方法，包括：构建叶片模型，提取叶片模型基本信息；基于叶片模型基本信息和等几何分析方法细化策略，构建非均匀有理B样条基函数；利用非均匀有理B样条基函数进行插值计算，得到叶片模型的材料属性；基于叶片模型的材料属性，分析叶片模型的振动特性，得到目标函数值；基于目标函数值和材料分布优化的约束条件，得到叶片模型适应度函数值；利用优化算法程序迭代求解，计算比较叶片模型适应度函数值，得到最佳设计变量个体解和最佳材料分布优化叶片模型，完成叶片模型的材料分布优化。可以得到连续变化的优化材料分布界面，无需进一步的光滑处理，极大地提高了优化效率，缩短了整个叶片材料优化的设计周期。

技术领域

本发明涉及结构动力学领域，特别涉及一种叶片模型的材料分布优化方法。

背景技术

在工程中，高速旋转机械随处可见，其被广泛应用于航空发动机，涡轮和压缩机等机构中。叶片作为高速旋转机械的重要做功部件，其振动故障频发成为制约旋转机械工作可靠性的重要因素。因此通过早期叶片的优化设计来改善和提高叶片模型的振动特性问题具有重要的理论与实践指导意义。

近年来，大多学者针对旋转叶片优化设计研究的工作多基于有限元仿真软件展开，有限元优化方法通常是采用基于单元离散的优化参数化方式。通过给逐段离散的单元/节点赋给设计参数来得到最终优化的结果，优化的结果也是以离散的形式存在。当有限元网格极其细密的情况下，优化结果的连续性可以得到改善。然而，这样细密的网格又降低了优化求解的效率，同时也仍然很难保证最终设计结果的光滑性。

基于NURBS的等几何方法，采用构造几何本身的基函数作为分析优化的计算函数，可以避免有限元优化分析中的重复定义几何和网格再次划分过程，从而极大地提高优化效率。将控制点处的材料变量作为优化过程的控制变量且与启发式优化算法相结合，可以得到连续的最佳材料分布界面，不需要进行进一步的光滑处理。因此，建立这样一种有效的可采用启发式优化算法适用多种材料的叶片模型的材料分布优化方法是十分必要的。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的优化求解效率低和最终设计结果光滑性差的问题，本发明提供一种叶片模型的材料分布优化方法，利用等几何方法与启发式进化算法相结合，可以得到连续变化的优化材料分布界面，无需进行进一步的光滑处理，极大地提高了优化效率，缩短了整个叶片材料优化的设计周期。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种叶片模型的材料分布优化方法，包括：

步骤1，构建叶片模型，提取叶片模型基本信息；

步骤2，基于所述叶片模型基本信息和等几何分析方法的细化策略，构建非均匀有理B样条基函数；

步骤3，利用所述非均匀有理B样条基函数进行插值计算，得到叶片模型的材料属性；

步骤4，基于所述叶片模型的所述材料属性，分析叶片模型的振动特性，得到目标函数值；

步骤5，基于所述目标函数值和材料分布优化的约束条件，得到叶片模型适应度函数值；

步骤6，利用优化算法程序迭代求解，计算比较所述叶片模型适应度函数值，得到最佳设计变量个体解和最佳材料分布优化叶片模型，完成叶片模型的材料分布优化。

可选的，所述非均匀有理B样条基函数的公式为：

其中，ω_i,j为权重信息，p和q为阶次信息，ζ,η为节点向量信息，N_i,p(ζ),M_i,q(η)分别表示沿ζ,η两个节点向量方向的单变量B样条函数，m,n为两个节点向量方向的控制点个数，i,j为两个节点向量方向的第i个和第j个控制点。

可选的，所述目标函数值的获取过程包括：

基于一阶壳理论得到所述叶片模型的应变能和动能；