一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法与流程

本公开的实施例涉及发电机转子冲片优化，尤其涉及一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法、系统、电子设备和存储介质。

背景技术：

1、随着电力装备向高功率密度方向持续演进，发电机转子冲片的轻量化需求日益突出。在材料利用率与结构性能之间寻求最优平衡，已成为发电机转子冲片优化领域的重要研究方向。转子冲片在高速旋转工况下同时承受电磁载荷、热载荷与结构应力载荷，多物理场耦合效应使得单一物理场分析无法准确反映冲片的综合性能状态，因此需要在电磁场、热场与结构应力场联合仿真的基础上开展轻量化优化。

2、在现有转子冲片轻量化优化方案中，通常对全部性能指标统一施加严格不等式约束，要求优化过程中各性能指标的仿真响应值始终不超出（或不低于）原始基准值。该处理方式的局限性在于，不同性能指标相对于其强制安全限值所具有的裕度空间存在显著差异，对裕度空间较大的指标施加与裕度空间较小的指标相同严格程度的约束，将导致可行搜索域被过度压缩至原始基准值附近的狭窄区域，优化算法难以探索具有更大减重潜力的结构参数空间。

3、本公开的发明人注意到，目前的转子冲片轻量化优化方案没有考虑到不同性能指标裕度空间的差异性，对各指标统一施加严格约束，导致可行搜索域受到过度限制，优化所能实现的减重幅度受到制约。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法，解决现有转子冲片轻量化优化过程中约束条件无法自适应区分刚性与柔性性能边界、导致优化结果偏保守或违反安全限值的技术问题。

2、本公开至少一实施例提供一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法，所述一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法包括：获取转子冲片各性能指标的强制安全限值，生成硬约束阈值集合；对原始冲片几何结构执行多物理场仿真计算，生成性能基准值数据库；根据所述硬约束阈值集合与所述性能基准值数据库计算各性能指标的裕度比例，生成性能裕度向量；基于所述性能裕度向量与预设裕度区间阈值对各性能指标分配约束类别标签，生成约束分类标签集；针对松弛类指标根据裕度比例与退化缩放系数计算松弛界值，生成退化容忍度参数；对硬约束指标生成严格不等式约束表达式，对松弛类指标生成惩罚函数项并叠加至质量目标函数，生成含自适应约束的冲片轻量化优化模型；以及基于所述含自适应约束的冲片轻量化优化模型执行迭代求解，获取候选轻量化冲片结构参数集。

3、例如，在本公开至少一实施例提供的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法中，所述裕度比例的计算公式为，其中，为第项性能指标的裕度比例，为第项性能指标对应的强制安全限值，为第项性能指标在额定工况下的仿真基准值，绝对值运算使所述公式同时适用于上界约束方向指标与下界约束方向指标。

4、例如，在本公开至少一实施例提供的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法中，所述基于所述性能裕度向量与预设裕度区间阈值对各性能指标分配约束类别标签，包括：将裕度比例大于第一裕度阈值的指标标记为可松弛约束指标；将裕度比例小于第二裕度阈值的指标标记为硬约束指标；将裕度比例处于所述第二裕度阈值与所述第一裕度阈值之间的指标标记为弱松弛约束指标，其中，所述第一裕度阈值大于所述第二裕度阈值。

5、例如，在本公开至少一实施例提供的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法中，所述针对松弛类指标根据裕度比例与退化缩放系数计算松弛界值，包括：对于上界约束方向的松弛类指标，松弛界值；对于下界约束方向的松弛类指标，松弛界值，其中，为松弛类指标的索引，为第项松弛类指标的仿真基准值，为第项松弛类指标的裕度比例，为退化缩放系数，所述退化缩放系数的取值使得所述松弛界值位于仿真基准值与对应强制安全限值之间。

6、例如，在本公开至少一实施例提供的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法中，所述含自适应约束的冲片轻量化优化模型的表达形式为：，约束条件为，其中，为冲片结构参数向量，为冲片质量目标函数，为松弛类指标的索引集合，为硬约束指标的索引集合，为第项松弛指标的退化量，为惩罚函数，为惩罚系数，为第项硬约束指标的严格不等式约束表达式。

7、例如，在本公开至少一实施例提供的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法中，所述惩罚函数的形式为，其中，为第项松弛指标的最大允许退化幅度，为第项松弛指标的松弛界值，为第项松弛指标的仿真基准值；所述惩罚系数随退化量呈非线性递增，表达式为，其中，为第项松弛指标的基础惩罚系数。

8、例如，在本公开至少一实施例提供的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法中，所述冲片结构参数向量的分量包括转子槽宽度、槽深度、槽底圆弧半径、轭部最小厚度、减重孔直径以及减重孔中心至转轴轴心的径向距离；所述迭代求解采用多目标遗传算法，输出帕累托前沿上的多组候选冲片结构参数集。

9、例如，在本公开至少一实施例提供的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法中，还包括：对全部候选轻量化冲片结构执行多物理场性能校核仿真；排除任一性能指标超出所述硬约束阈值集合中对应强制安全限值的候选方案；在剩余候选方案中排除任一松弛指标性能响应值超出对应松弛界值的候选方案；在通过全部筛选的候选方案中选取冲片质量最小的方案作为最终轻量化冲片参数。

10、本公开至少一实施例还提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，非瞬时性地存储有计算机可执行指令；至少一个处理器，配置为运行所述计算机可执行指令，其中，所述计算机可执行指令被所述处理器运行时实现本公开任一实施例所述的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法。

11、本公开至少一实施例还提供一种转子冲片轻量化优化系统，所述转子冲片轻量化优化系统包括硬约束阈值获取单元、基准值仿真单元、裕度计算单元、约束分类单元、退化容忍度生成单元、优化模型生成单元、迭代求解单元；所述硬约束阈值获取单元配置为获取转子冲片各性能指标的强制安全限值，生成硬约束阈值集合；所述基准值仿真单元配置为对原始冲片几何结构执行多物理场仿真计算，生成性能基准值数据库；所述裕度计算单元配置为根据所述硬约束阈值集合与所述性能基准值数据库计算各性能指标的裕度比例，生成性能裕度向量；所述约束分类单元配置为基于所述性能裕度向量与预设裕度区间阈值对各性能指标分配约束类别标签，生成约束分类标签集；所述退化容忍度生成单元配置为针对松弛类指标根据裕度比例与退化缩放系数计算松弛界值，生成退化容忍度参数；所述优化模型生成单元配置为对硬约束指标生成严格不等式约束表达式，对松弛类指标生成惩罚函数项并叠加至质量目标函数，生成含自适应约束的冲片轻量化优化模型；所述迭代求解单元配置为基于所述含自适应约束的冲片轻量化优化模型执行迭代求解，获取候选轻量化冲片结构参数集。

12、本公开实施例提供的一种发电机转子冲片轻量化优化设计方法及系统，通过以下技术方案产生相应的技术效果。

13、通过计算各性能指标基准值与强制安全限值之间的裕度比例并生成性能裕度向量，使后续约束分类与退化容忍度计算具备量化依据，避免了对不同裕度空间指标施加统一约束强度所导致的可行搜索域过度压缩问题。

14、通过依据裕度比例将各性能指标分类为硬约束指标、弱松弛约束指标与可松弛约束指标，并针对松弛指标依据退化缩放系数（其中）计算松弛界值，所得松弛界值在数学上被约束于仿真基准值与强制安全限值之间，从而在允许性能指标发生有限退化的同时保证退化后的性能仍处于安全范围内。

15、通过构建含自适应约束的冲片轻量化优化模型，对硬约束指标施加严格不等式约束，对松弛指标引入非线性惩罚函数项，惩罚系数随退化量趋近松弛界值而非线性递增，使优化算法在无需施加严格等式约束的条件下自动将松弛指标的退化量限制在退化容忍度参数规定的范围内，由此将可行搜索域从严格约束限定的狭窄区域扩展至包含受控退化空间的更广阔参数域，有助于优化算法探索减重幅度更大的候选结构方案。

16、通过在输出最终轻量化冲片参数前执行覆盖额定工况与极端工况的多物理场性能校核仿真，并依照硬约束阈值与退化容忍度参数执行多级筛选，使最终输出的冲片结构参数满足全部强制安全限值要求，保证优化结果的工程可用性。