一种基于序贯采样全局优化的钛基复合材料整体叶环结构设计方法与流程

本发明涉及航空发动机，公开了一种基于序贯采样全局优化的钛基复合材料整体叶环结构设计方法。

背景技术：

1、钛基复合材料整体叶环是航空发动机实现大幅减重的关键构件，其优化设计通常依赖于有限元仿真与遗传算法等传统全局优化方法。

2、然而，现有方法存在以下不足：

3、1、钛基复合材料整体叶环的高保真度仿真（包含纤维/基体界面损伤、各向异性本构及热力耦合分析）计算成本极高，单次评估耗时数小时。传统全局优化算法需调用数千次仿真，导致优化周期长达数月，难以满足工程研发时效要求；

4、2、该优化问题具有高度非线性、多峰性及多约束耦合特征，基于梯度的局部优化方法易陷入局部最优解，而传统全局优化算法虽具备一定全局搜索能力，但在有限计算预算下收敛精度不足，难以获得真正的最优结构参数；

5、3、现有代理模型辅助优化方法多针对各向同性均质材料，缺乏针对钛基复合材料各向异性特性及纤维/基体界面损伤响应的自适应采样策略，无法在优化过程中平衡全局探索与局部开发。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于序贯采样全局优化的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，能够在全局探索与局部开发之间自动平衡，避免陷入局部最优解，以在有限计算资源下高效获得满足多约束条件的全局最优结构参数，加速优化过程，大幅降低计算成本。

2、为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于序贯采样全局优化的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，包括：

4、步骤1：确定钛基复合材料整体叶环的设计变量、目标函数及约束条件；所述设计变量包括钛基复合材料体积分数、整体叶环结构尺寸中的一种或多种；所述目标函数包括最小化整体叶环质量或最大化极限转速；所述约束条件包括强度约束、刚度约束、最大破坏转速约束、振动频率避让约束及可制造性约束中的一种或多种；

5、步骤2：采用拉丁超立方采样方法在设计变量的设计空间内生成初始样本点集，并对每个样本点调用仿真模型进行仿真分析，获得对应的目标函数响应值与约束响应值，构建初始训练数据集；

6、步骤3：基于初始训练数据集，构建代理模型以表征目标函数响应值、约束响应值与设计变量之间的映射关系；

7、步骤4：采用序贯采样策略进行自适应迭代优化，每次迭代中基于当前代理模型构造采集函数，以最大化采集函数为目标生成新的样本点并进行仿真分析，同步更新训练数据集及代理模型；

8、步骤5：判断更新后的代理模型是否满足收敛条件，若满足则输出当前代理模型对应的最优设计变量组合；否则重复步骤4，直至更新后的代理模型是否满足收敛条件，若满足则输出当前代理模型对应的最优设计变量组合。

9、进一步地，所述仿真模型包括钛基复合材料的各向异性本构模型、基体界面内聚力模型。

10、进一步地，所述代理模型为kriging模型或支持向量回归模型。

11、进一步地，构造的所述采集函数为考虑各向异性材料特性的修正最大化期望准则函数，表达式为，其中为设计变量的样本点，为采集函数的值；为目标函数的最小值，为样本点在代理模型中的预测值，为标准正态分布的概率分布函数，为目标函数预测值的最小值，为样本点的实际目标值的方差，为正态分布的分布函数，为考虑各向异性材料的修正因子，为钛基复合材料主承载方向的拉伸性能，为钛基复合材料垂直主承载方向的拉伸性能。

12、进一步地，判断更新后的代理模型满足收敛的条件包括：连续若干次迭代后目标函数的最小值的变化小于预设阈值，或达到预设的仿真模型调用次数。

13、进一步地，所述设计变量的设计空间包括：

14、所述钛基复合材料体积分数的取值范围为35%~65%；

15、所述钛基复合材料整体叶环内径尺寸的取值范围为150mm~220mm；

16、所述钛基复合材料整体叶环径向厚度的取值范围为10mm~25mm；

17、所述钛基复合材料整体叶环轴向厚度的取值范围为10mm~30mm；

18、所述钛基复合材料整体叶环包套壁厚的取值范围为1mm~3.5mm。

19、进一步地，以最大化采集函数为目标生成新的样本点的方法包括：

20、采用多岛遗传算法或粒子群算法对当前代理模型进行全局优化，获得满足最大化采集函数的设计变量组合为新的样本点。

21、进一步地，步骤4中所述序贯采样策略还包含并行采样机制，每次迭代同时选取多个新的样本点，并利用多核或多节点计算资源并行调用仿真模型执行仿真分析。

22、与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明利用拉丁超立方采样在钛基复合材料整体叶环的设计变量的设计空间内生成初始样本点，经仿真获得样本点的输出响应，以构建训练数据集，搭建代理模型表征设计变量与目标函数响应值、约束响应值的映射关系；再采用序贯采样策略迭代优化代理模型，以获得最优设计变量组合。本发明依托各向异性材料特性的修正最大化期望准则函数指导采样，在全局探索与局部开发之间自动平衡，避免陷入局部最优解，以在有限计算资源下高效获得满足多约束条件的全局最优结构参数，加速优化过程，大幅降低计算成本。

1.一种基于序贯采样全局优化的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，其特征在于，所述仿真模型包括钛基复合材料的各向异性本构模型、基体界面内聚力模型。

3.根据权利要求1所述的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，其特征在于，所述代理模型为kriging模型或支持向量回归模型。

4.根据权利要求1所述的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，其特征在于，构造的所述采集函数为考虑各向异性材料特性的修正最大化期望准则函数，表达式为，其中为设计变量的样本点，为采集函数的值；为目标函数的最小值，为样本点在代理模型中的预测值，为标准正态分布的概率分布函数，为目标函数预测值的最小值，为样本点的实际目标值的方差，为正态分布的分布函数，为考虑各向异性材料的修正因子，为钛基复合材料主承载方向的拉伸性能，为钛基复合材料垂直主承载方向的拉伸性能。

5.根据权利要求1所述的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，其特征在于，判断更新后的代理模型满足收敛的条件包括：连续若干次迭代后目标函数的最小值的变化小于预设阈值，或达到预设的仿真模型调用次数。

6.根据权利要求1所述的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，其特征在于，所述设计变量的设计空间包括：

7.根据权利要求1所述的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，其特征在于，以最大化采集函数为目标生成新的样本点的方法包括：

8.根据权利要求1所述的钛基复合材料整体叶环结构设计方法，其特征在于，步骤4中所述序贯采样策略还包含并行采样机制，每次迭代同时选取多个新的样本点，并利用多核或多节点计算资源并行调用仿真模型执行仿真分析。