[发明专利]一种核主泵树脂基复合材料可倾瓦水润滑推力轴承优化设计方法

摘要

本发明涉及一种核主泵树脂基复合材料可倾瓦水润滑推力轴承优化设计方法，特征：以可倾瓦几何尺寸及圆柱状瓦面厚度为设计变量，轴承承载能力和功率损耗为目标函数的优化问题，通过抽样确定设计变量的初始样本点，建立模拟界面滑移、水膜空化和瓦面变形耦合作用的弹流润滑模型，通过参数二次规划算法将极限剪切应力模型修正的Reynolds方程转化为线性互补问题，与固体弹性变形方程迭代求解，获得设计变量的样本点及其对应的目标函数值数据集，采用Kriging代理模型算法，根据优化加点准则和迭代终止条件，最终多目标优化出推力轴承的可倾瓦滑移区内径、外径、包角，及瓦面厚度等。优点：实现了大尺寸、低弹性模量材料可倾瓦推力轴承高承载能力和低功率损耗设计。

主权项

1.一种核主泵树脂基复合材料可倾瓦水润滑推力轴承优化设计方法，包括根据核主泵设计压力、设计温度、设计流量和压头技术参数确定的推力轴承运行参数：金属材料推力盘转速ω，轴承水的温度T及粘度η，可倾瓦块数n，可倾瓦支撑中心坐标(x_o,y_o)，可倾瓦倾斜角度θ_x，θ_y，可倾瓦支撑中心水膜厚度h_r，可倾瓦水膜边界压强P_b；可倾瓦几何参数：内径R_i，外径R_o，包角φ，瓦基厚度h_m，圆柱状瓦面最大厚度h_c和最小厚度h_s，滑移区内径r_i、外径r_o、包角可倾瓦物理参数：瓦基弹性模量E_m与泊松比ν_m，瓦面弹性模量E_c与泊松比ν_c，可倾瓦表面极限剪切应力τ_L；其特征在于：所述的优化设计方法的步骤如下：(a)建立以核主泵水润滑推力轴承可倾瓦滑移区内径r_i，外径r_o和包角圆柱状瓦面最大厚度h_c和最小厚度h_s为设计变量，轴承承载能力w和功率损耗p_loss为目标函数的优化问题列式；所述的目标函数的优化问题列式包括轴承承载能力w和功率损耗p_loss加权的目标函数y，以及设计变量约束条件为式(1)中，分别为设计变量的上下限；α为权重系数，取值范围为0≤α≤1；当α＝1，单独优化轴承承载能力w，当α＝0，单独优化功率损耗p_loss；(b)在设计变量变化范围内通过拉丁超立方算法抽样，确定设计变量的初始样本点；(c)基于修正的Reynolds方程和固体弹性变形方程，建立模拟界面滑移、水膜空化和瓦面变形耦合作用的弹流润滑模型，利用设计变量的初始样本点，循环计算出对应的弹流润滑模型的目标函数值，构建设计变量的样本点及其对应的目标函数值样本数据集，包括如下子步骤：1)确定推力轴承运行参数、可倾瓦几何参数和物理参数，设计变量的初始样本点；2)确定推力轴承初始水膜厚度h；3)弹流润滑模型的界面滑移模拟由极限剪切应力模型控制，水膜空化模拟利用Lagrange乘子法施加约束条件，将修正的Reynolds方程通过参数二次规划算法转化为线性互补问题，并与固体弹性变形方程耦合迭代求解，通过Lemke算法，获得设计变量的样本点所对应的水膜压力pi和水膜剪切应力τi；所述的弹流润滑模型的界面滑移模拟，由极限剪切应力模型控制，极限剪切应力模型为式(2)中，mod为矢量求模符号，为可倾瓦表面剪切应力矢量，τ_ax,τ_ay分别为可倾瓦表面x,y方向剪切应力，u_b,v_b分别为推力盘x,y方向速度，分别为可倾瓦表面x,y方向滑移速度；所述的弹流润滑模型，模拟水膜空化模型利用Lagrange乘子法施加的约束条件为p≥0  (3)；4)若满足水膜压力前后迭代的相对误差小于设定值Err，终止计算，到子步骤5)；若不满足，通过有限元离散求解水膜压力pi和水膜剪切应力τi作用下的固体弹性变形方程，获得可倾瓦弹性变形场，根据瓦面表面弹性变形修正水膜厚度h，返回子步骤3)；5)输出计算的水膜压力p和水膜剪切应力τ，并在瓦面上积分计算出推力轴承承载能力w和功率损耗ploss；(d)利用设计变量的样本点和对应的目标函数值样本数据集，通过随机过程的Kriging代理模型算法，确定回归系数和径向基函数，建立设计变量与目标函数间显式代理关系；(e)根据优化加点准则，通过序列二次规划算法进行设计变量与目标函数间显式代理关系的极小值搜索，确定设计变量的优化样本点及其对应的代理模型预测的目标函数极值(f)通过模拟界面滑移、水膜空化和瓦面变形耦合作用的弹流润滑模型，获得设计变量的优化样本点所对应的弹流润滑模型的目标函数值ybest；(g)根据迭代终止条件，若满足代理模型预测的目标函数极值与优化的弹流润滑模型计算的目标函数值的相对误差小于设定值εerr，终止计算；若不满足，补充该设计变量的优化样本点及其对应的弹流润滑模型的目标函数值到样本数据集，重复步骤(d)‑(f)；(h)输出推力轴承可倾瓦滑移区内径r_i^*滑移区外径滑移区包角以及可倾瓦瓦面最大厚度和最小厚度最终优化设计。