抗振扩口式管接头及其参数优化方法

本发明涉及扩口式管接头设计，具体的说是一种抗振扩口式管接头及其参数优化方法。

背景技术：

1、扩口式管接头结构简单、装拆方便，在航空航天、兵器舰船、工程机械等领域的流体传输系统中应用广泛。但随着现代装备对机动性、载荷和寿命的要求不断提高，管路系统的服役环境日趋复杂。在高频横向振动、旋转弯曲及热振耦合等工况下，传统扩口式管接头的密封失效问题逐渐暴露，已成为影响系统可靠性的突出短板。

2、在持续振动载荷作用下，管接头密封锥面与导管扩口端之间会产生微米量级的微幅相对滑移，即“微动磨损”。微动磨损一方面破坏密封界面的微观形貌，另一方面导致接触压力松弛与重分布。原本较为均匀的接触压力会逐渐演变为局部集中或局部缺失，部分区域真实接触面积减小，甚至出现间隙。高压液压油流经受损界面时容易渗入，形成贯穿性的微观泄漏通道。振动还会引起密封界面的周期性张开与闭合，进一步加剧泄漏。这类泄漏具有隐蔽性和累积性，初期不易察觉，一旦发展为宏观泄漏，往往伴随系统压力骤降，甚至引发安全事故。

3、针对上述问题，工程上采取过提高装配预紧力、优化螺母螺纹结构、采用高性能密封材料等措施。这些措施大多针对静态或准静态工况设计，面对振动引起的动态界面退化时效果有限。单纯提高预紧力会增加安装难度，还可能加剧螺纹塑性变形；材料改进则受成本和工艺兼容性制约。目前的设计理念侧重于初始装配状态下的密封指标（如最大接触压力、接触半宽等），对振动工况下密封性能的时变特性关注不足，尤其缺乏对“泄漏率”这一直接量化指标的主动控制。现有技术难以在振动环境下维持长期稳定的密封效能，需要一种能从结构上主动适应振动工况、抑制界面微动并阻断泄漏通道的新型设计方案。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种抗振扩口式管接头及其参数优化方法，以解决振动工况下密封界面易失效、泄漏率高且参数设计依赖经验的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种抗振扩口式管接头，包括管接头本体，管接头本体的密封锥面上设有至少一道沿周向完整环绕的环形凹槽；环形凹槽截面为矩形结构。

4、作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

5、优选的，定义环形凹槽距密封锥面小端的距离为槽距，槽距的取值区间为0.6mm-1.0mm。

6、优选的，定义环形凹槽的宽度为槽宽，槽宽的取值区间为0.8mm-1.2mm。

7、优选的，定义环形凹槽的深度为槽深，槽深的取值区间为0.2mm-0.6mm。

8、本发明还公开了一种抗振扩口式管接头的参数优化方法，包括如下步骤，

9、s1：基于权利要求1至4中任意一项所述的抗振扩口式管接头的结构特征，构建其参数化几何模型；在密封锥面上构造一道截面为矩形的环形凹槽，将凹槽的深度即槽深h设定为预设值，将凹槽距密封锥面小端的距离定义为槽距a，将凹槽宽度定义为槽宽c；

10、s2：以槽深h为固定参数，以槽距a和槽宽c为优化变量，在预设的参数区间内选取多组参数组合，基于有限元模型在施加横向振动载荷条件下分别计算各组参数组合下的密封面接触压力，并依据微观粗糙面接触理论将接触压力换算为泄漏率，以此构建包含输入参数与输出性能的映射样本集，将泄漏率作为密封性能评价指标；

11、s3：基于映射样本集训练改进代理模型，引入对角形式的输入变量权重矩阵以区分槽距a与槽宽c对泄漏率的非对称影响，建立槽距a、槽宽c与泄漏率之间的非线性映射关系，以替代有限元仿真作为泄漏率的快速预测器；

12、s4：以泄漏率最小化为目标，采用贝叶斯优化算法结合期望改进采集函数，在代理模型的输入空间内对槽距a和槽宽c进行全局寻优，输出使泄漏率达到最小值的最优参数组合，以指导扩口式管接头的结构加工。

13、优选的，s2中施加的横向振动载荷的振幅设定为0.25mm-0.35mm；计算泄漏率具体包括：

14、在密封面横轴负方向划定预设尺寸的采样区域，提取该区域内节点的接触压力分布数据；依据微观粗糙面接触理论计算等效泄漏通道高度，并基于流体层流模型计算单位时间内的流体泄漏量；其中，流体层流模型采用泊肃叶流动方程，根据等效泄漏通道高度与流体介质粘度计算得到泄漏率。

15、优选的，步骤s3中，改进代理模型为改进的各向异性加权径向基核函数支持向量回归模型，具体包括；

16、对输入的槽距a与槽宽c进行标准化处理，标准化公式为；

17、；

18、其中，为第个样本的第个输入变量；为第个输入变量的均值;为第个输入变量的标准差;为标准化后的输入变量；

19、引入对角形式的输入变量权重矩阵；

20、；

21、其中，和分别对应槽距a与槽宽c在径向基核函数距离度量中的占比权重；

22、改进后的各向异性加权径向基核函数表达式为,

23、;

24、式中，为核函数参数，为标准化处理后的第个样本的第个输入变量;和均为训练样本集中样本的序号，,=1,2,…,n，n为样本总数；=1对应槽距，=2对应槽宽。

25、优选的，s3中，改进的各向异性加权径向基核函数支持向量回归模型采用不敏感损失函数，以结构风险最小化为优化目标；

26、通过支持向量回归算法，利用改进的各向异性加权径向基核函数计算训练样本与待预测样本之间的相似度，并以该相似度为权重对训练样本的泄漏率进行加权拟合，最终构建如下回归函数进行泄漏率预测;

27、；

28、式中，为代理模型在输入处的预测泄漏率,表示待预测的槽距a与槽宽c的组合；为第个训练样本对应的槽距与槽宽；为改进的各向异性加权径向基核函数，用于度量样本间的相似度；和为训练获得的拉格朗日乘子，表征第个训练样本对预测结果的贡献权重；为偏置项；为训练样本的总数。

29、优选的，s4中采用贝叶斯优化进行全局寻优；

30、模型验证采用重复多折交叉验证，将样本集划分为训练集与验证集，训练集用于模型训练与标准化参数计算，验证集不参与模型训练；选取决定系数r2和平均百分比误差mpe作为评价指标；

31、决定系数r2的表达式为；

32、；

33、式中，为第个样本的真实泄漏率，为模型预测泄漏率，为真实泄漏率的平均值，n为样本数量；r2越接近1，表明模型预测精度越高；

34、平均百分比误差mpe采用绝对百分比误差形式，其表达式为;

35、;

36、mpe越小，表明模型预测值与真实值之间的相对误差越低；

37、贝叶斯优化的数学形式为;

38、;

39、式中，为待优化输入变量，为目标函数即代理模型预测的泄漏率，为使泄漏率达到最小值的最优输入参数组合；

40、贝叶斯优化改进的各向异性加权径向基核函数支持向量回归模型作为目标函数的代理模型，通过调用获取预测泄漏率，并基于预测结果进行迭代寻优。

41、优选的，s4中，采用期望改进函数作为采集函数，其表达式为；

42、；

43、式中，为当前已观测到的最小目标函数值;为代理模型在输入处的预测泄漏率，为数学期望算子；该采集函数通过权衡预测均值与预测不确定性，引导优化过程在全局探索与局部开发之间取得平衡。

44、采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

45、1、本发明通过在管接头本体的密封锥面上设置至少一道截面为矩形、沿周向完整环绕的环形凹槽，使密封界面由传统的"面接触"转变为"线接触"或"准线接触"状态，凹槽边缘产生显著的接触压强集中带，能够有效阻断微观泄漏通道的连通性，从根本上增强密封界面抵御外部横向振动的能力，抑制界面微动磨损的发生。

46、2、本发明通过引入对角形式的输入变量权重矩阵对标准径向基核函数进行改进，消除了核函数对不同输入变量距离尺度等权重的隐含假设，能够准确区分槽距a与槽宽c对泄漏率的非对称影响，显著提升了代理模型对开槽几何参数与泄漏率之间非线性映射关系的表达精度。

47、3、本发明将改进后的代理模型与贝叶斯优化算法及期望改进采集函数相结合，以泄漏率最小化为全局优化目标，无需遍历整个设计空间即可高效定位使泄漏率达到最小值的最优参数组合，显著降低了优化计算成本并提升了寻优精度。

48、4、本发明以横向振动工况下的泄漏率为直接量化优化目标，弥补了现有技术仅关注静态或准静态装配指标而忽视动态密封性能的不足，能够针对不同的振动强度自适应调整最优参数组合，为扩口式管接头在航空、兵器、舰船等高可靠服役场景下的抗振密封设计提供了系统化的解决方案。