一种基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计方法及系统

本发明属于织构化水润滑轴承参数优化，具体涉及一种基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计方法及系统，可用于织构化水润滑径向动压轴承织构直径、织构深度和织构间距系数等参数的快速优化设计。

背景技术：

1、水润滑滑动轴承具有无油液污染、介质来源广、散热性能较好等优点，在船舶推进系统、水轮发电机组、高速电主轴及深海装备等领域具有应用价值。然而，水的动力黏度远低于润滑油，水润滑轴承普遍存在承载能力不足、润滑膜稳定性较弱等问题。通过在轴承工作表面引入圆形凹坑、微沟槽等表面织构，可以改变润滑膜压力分布，增强局部微动压效应，从而提高承载能力并在一定条件下降低摩擦损失。

2、织构化水润滑轴承的润滑性能与织构直径、织构深度、织构间距、织构分布区域及工况参数密切相关。现有优化设计方法通常采用全局优化算法直接搜索设计空间，或利用代理模型降低性能评价成本。但若对所有候选设计点均调用高保真数值求解，则计算耗时较长；若仅依赖快速代理模型进行评价，则在局部高梯度区域、织构边缘区域及强耦合参数组合下可能产生评价偏差，影响最终优化方案的可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计方法及系统，能够在保持全局快速预测能力的同时对织构区域局部细节进行物理方程约束修正，减少单纯代理模型在织构边缘及高梯度区域产生的失真。

2、为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、第一方面，本发明提出了一种基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计方法，包括以下步骤：

4、确定织构化水润滑轴承的设计变量、优化目标和约束条件，建立设计空间；所述设计变量包括织构直径、织构深度和织构间距系数，所述优化目标包括承载力最大化和摩擦力最小化；约束条件包括织构分布区域约束、几何约束和加工精度约束；

5、建立或调用织构化水润滑轴承的第一阶段评价模型（快速粗评价模型），所述第一阶段评价模型以所述设计变量为输入，获得压力场、剪切应力场以及由获得的压力场和剪切应力场积分得到的承载力和摩擦力；

6、在所述设计空间内利用多目标优化算法进行第一阶段搜索，并以所述第一阶段评价模型输出的承载力和摩擦力作为目标函数评价结果，获得近似pareto解集；

7、从所述近似pareto解集中选取候选解；

8、对所述候选解进行第二阶段评价（即高精度细评价），所述第二阶段评价以候选解中的织构参数为输入，构造织构区域标记和润滑膜厚分布，求解压力场和剪切应力场，并重新计算候选解对应的承载力和摩擦力；

9、根据第二阶段评价重新计算得到的候选解对应的承载力和摩擦力，替代第一阶段搜索中的第一阶段评价得到的承载力和摩擦力重新判定候选解之间的pareto支配关系，形成最终pareto解集，并输出织构参数优化方案。

10、结合第一方面，进一步地，所述快速粗评价模型分别重构织构化水润滑轴承的压力场和剪切应力场，并由重构得到的压力场和剪切应力场计算承载力和摩擦力。

11、结合第一方面，进一步地，所述第一次评价模型至少包括基于本征正交分解和稀疏高斯过程回归的快速重构模型、降阶模型、代理模型、机器学习模型中的一种。

12、结合第一方面，进一步地，所述第二阶段评价包括基于雷诺方程（reynolds方程）的有限差分求解器、快速有限差分求解器、局部细节修正计算、高保真数值求解或其组合。

13、结合第一方面，进一步地，所述快速有限差分求解器以候选解中提取的织构参数作为输入，根据织构直径、织构深度和织构间距系数形成织构区域标记，构造润滑膜厚分布和有限差分离散格式，迭代求解压力场和剪切应力场，并积分计算承载力和摩擦力。

14、结合第一方面，进一步地，所述从所述近似pareto解集中选取候选解，包括：

15、根据非支配关系、目标函数排序、解集分布均匀性、承载力水平、摩擦力水平或综合平衡性从所述近似pareto解集中选取候选解。

16、结合第一方面，进一步地，所述快速有限差分求解器采用织构区域矢量化标记、膜厚矩阵与离散系数矩阵一次性构造、红黑投影超松弛迭代、图形处理器并行加速中的一种或多种方式提高计算效率。

17、结合第一方面，进一步地，所述多目标优化算法包括nsga-ii、moea/d、mopso、遗传算法、粒子群算法或其他用于获得非支配解集的多目标优化算法。

18、结合第一方面，进一步地，本发明的多目标优化设计方法适用于圆形凹坑阵列织构化水润滑轴承的参数优化，并可扩展应用于沟槽织构、椭圆织构或复合织构润滑结构的多目标优化设计。

19、第二方面，本发明提出了一种基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计系统，用于实现上述的基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计方法，包括：

20、模型输入确定模块，被配置用于确定织构化水润滑轴承的设计变量、优化目标和约束条件，建立设计空间；所述设计变量包括织构直径、织构深度和织构间距系数，所述优化目标包括承载力最大化和摩擦力最小化；约束条件包括织构分布区域约束、几何约束和加工精度约束；

21、第一阶段评价模块，被配置用于建立或调用织构化水润滑轴承的第一阶段评价模型（快速粗评价模型），所述第一阶段评价模型以所述设计变量为输入，获得压力场、剪切应力场以及由获得的压力场和剪切应力场积分得到的承载力和摩擦力；

22、近似pareto解集得到模块，被配置用于在所述设计空间内利用多目标优化算法进行第一阶段搜索，并以所述第一次评价模型输出的承载力和摩擦力作为目标函数评价结果，获得近似pareto解集；

23、候选解选取模块，被配置用于从所述近似pareto解集中选取候选解；

24、第二阶段评价模块，被配置用于对所述候选解进行第二阶段评价（即高精度细评价），所述第二阶段评价以候选解中的织构参数为输入，构造织构区域标记和润滑膜厚分布，求解压力场和剪切应力场，并重新计算候选解对应的承载力和摩擦力；

25、优化方案输出模块，被配置用于根据第二阶段评价重新计算得到的候选解对应的承载力和摩擦力，替代第一阶段搜索中的第一阶段评价得到的承载力和摩擦力重新判定候选解之间的pareto支配关系，形成最终pareto解集，并输出织构参数优化方案。

26、第三方面，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述的基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计方法的步骤。

27、第四方面，本发明提出了一种计算机设备，其特征在于，包括：

28、存储器，用于存储计算机程序；

29、处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述的基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计方法的步骤。

30、第五方面，本发明提出了一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于两阶段粗细评价的织构化水润滑轴承多目标优化设计方法的步骤。

31、本发明通过第一阶段快速粗评价获得近似pareto解集，再通过第二阶段高精度细评价对候选解进行性能校正，最终输出经细评价确认的织构参数组合。

32、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

33、（1）本发明在大范围设计空间搜索阶段利用快速评价模型提高优化效率，并在候选pareto解确定后通过高精度细评价重新计算关键性能参数，从而兼顾优化效率和结果可靠性，解决了现有织构化水润滑轴承多目标优化设计中高保真全场求解调用次数多、单纯快速代理评价结果可靠性不足以及候选优化方案需要进一步校正的问题。

34、（2）本发明通过快速粗评价模型在大范围设计空间内进行低成本搜索，减少高精度数值求解在优化过程中的调用次数，提高织构参数优化效率；再通过第二阶段的高精度细评价对候选pareto解重新计算承载力和摩擦力，避免仅依赖代理模型评价导致的候选方案性能偏差，提高最终优化结果的可靠性。

35、（3）本发明将多目标优化算法与高精度细评价过程解耦，可适配nsga-ii、moea/d、mopso等不同多目标优化算法，具有较好的兼容性。

36、（4）本发明以织构直径、织构深度和织构间距系数为优化变量，可直接服务于圆形凹坑阵列织构化水润滑轴承的参数设计，并可为后续实验验证和工程应用提供候选参数组合。