航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法和装置与流程

1.本公开涉及航空发动机领域，特别涉及一种航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法和装置。


背景技术：

2.法兰连接结构是一种重要的航空发动机机匣连接形式。目前，针对航空发动机机匣法兰连接结构主要采用参考相关机型、依据工程经验的设计流程。法兰连接结构设计方法仅仅关注方案设计阶段，而忽略了制造和装配流程的完整性和重要性，在产品的制造和装配过程中容易导致产品设计的反复迭代，导致产品设计出现耗费大、迭代次数多、产品周期长等问题，无法满足高速发展的航空发动机行业对机匣连接方案设计的快速响应要求。


技术实现要素：

3.本公开实施例所要解决的一个技术问题是：针对航空发动机机匣法兰连接结构的设计，减少设计的反复迭代次数。
4.本公开一些实施例提出一种航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法，包括：
5.根据多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型，法兰连接结构参数矩阵li、l包括设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸；
6.根据输入的第一外部载荷组合矩阵f1，通过已建立的模糊预测模型，生成极限法兰连接结构参数矩阵l1；
7.验证极限法兰连接结构参数矩阵l1是否符合设计要求；
8.如果l1符合设计要求，输出极限法兰连接结构参数矩阵l1。
9.在一些实施例中，还包括：
10.如果l1不符合设计要求，利用修正系数对极限法兰连接结构参数矩阵l1进行修正，得到修正法兰连接结构参数矩阵l2；
11.验证修正法兰连接结构参数矩阵l2是否符合设计要求；
12.如果l2符合设计要求，输出修正法兰连接结构参数矩阵l2；
13.如果l2不符合设计要求，继续执行修正步骤和验证步骤。
14.在一些实施例中，利用修正系数对极限法兰连接结构参数矩阵l1进行修正包括：
15.对极限法兰连接结构参数矩阵l1乘以矩阵元素大于1的修正系数矩阵，得到修正法兰连接结构参数矩阵l2。
16.在一些实施例中，还包括：采用以下方法获取样本数据集：
17.根据任意给定的法兰连接结构参数矩阵li，采用仿真和试验方法确定给定li所对应的极限工况下的外部载荷组合矩阵fi，极限工况下的外部载荷组合矩阵fi所对应的给定li为极限工况下的法兰连接结构参数矩阵，将给定的法兰连接结构参数矩阵li和确定的极限工况下的外部载荷组合矩阵fi作为一组样本数据；
18.重复上述方法，建立多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集。
19.在一些实施例中，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型，包括：
20.对样本数据集进行归一化处理；
21.根据归一化的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型；
22.利用优化算法对建立的模糊预测模型的参数进行优化；
23.计算模糊预测模型的预测误差，输出预测误差满足要求时的模糊预测模型。
24.在一些实施例中，采用支持向量机学习算法或神经网络学习算法，根据归一化的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型。
25.在一些实施例中，采用模拟退火优化算法或遗传优化算法，对建立的模糊预测模型的参数进行优化。
26.在一些实施例中，计算模糊预测模型的预测误差，包括：
27.设定预测值与实际值之间误差的目标函数，目标函数是总样本数的平均误差值或标准差值，设定误差阈值；
28.基于目标函数计算预测误差；
29.将预测误差与误差阈值进行比较，若预测误差大于误差阈值，则重复模型优化步骤，若预测误差小于或等于误差阈值，则输出此时的模糊预测模型。
30.在一些实施例中，外部载荷组合矩阵f包括：轴向力fa、径向力fr和扭矩t。
31.在一些实施例中，法兰连接结构参数矩阵l包括：螺栓规格、螺栓数量、螺栓孔分布圆直径、螺栓孔直径、螺栓孔分布圆中心至法兰安装边上下边缘距离、安装边厚度、法兰安装边配合处圆角倒角尺寸、止口定心接触段长度。
32.本公开一些实施例提出一种航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置，包括：
33.存储器；以及
34.耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法。
35.本公开一些实施例提出一种航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置，包括：
36.模型建立模块，被配置为根据多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型，法兰连接结构参数矩阵li、l包括设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸；
37.模型预测模块，被配置为根据输入的第一外部载荷组合矩阵f1，通过已建立的模糊预测模型，生成极限法兰连接结构参数矩阵l1；
38.验证模块，被配置为验证极限法兰连接结构参数矩阵l1是否符合设计要求；
39.输出模块，被配置为如果l1符合设计要求，输出极限法兰连接结构参数矩阵l1。
40.本公开一些实施例提出一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法的步骤。
41.本公开实施例在航空发动机机匣法兰连接结构的设计过程中，综合考虑了满足外部载荷的设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸，可以减少设计的反复迭代次数，提高设计效
率，满足高速发展的航空发动机行业对机匣连接方案设计的快速响应要求。
附图说明
42.下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。根据下面参照附图的详细描述，可以更加清楚地理解本公开。
43.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1示出本公开一些实施例的航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法的流程示意图。
45.图2示出本公开一些实施例的建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型的流程示意图。
46.图3示出本公开一些实施例的机匣法兰连接结构a-a截面示意图。
47.图4示出本公开一些实施例的机匣法兰连接结构螺栓分布示意图。
48.图5示出本公开一些实施例的航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置的示意图。
49.图6示出本公开一些实施例的航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置的示意图。
具体实施方式
50.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
51.除非特别说明，否则，本公开中的“第一”“第二”等描述用来区分不同的对象，并不用来表示大小或时序等含义。
52.图1示出本公开一些实施例的航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法的流程示意图。
53.如图1所示，该实施例的航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法包括：步骤110-150。
54.在步骤110，根据多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型，法兰连接结构参数矩阵li、l包括设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸，从而综合考虑安全性、可加工性和装配性等因素。
55.根据多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集，采用学习算法和优化算法，并设置目标函数的误差阈值，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型，具体过程参见图2所示的实施例。
56.外部载荷组合矩阵f包括：轴向力fa、径向力fr和扭矩t。公式表示为：f＝[fa，fr，t]。
[0057]
法兰连接结构参数矩阵l包括：螺栓规格、螺栓数量、螺栓孔分布圆直径、螺栓孔直径、螺栓孔分布圆中心至法兰安装边上下边缘距离、安装边厚度、法兰安装边配合处圆角倒角尺寸、止口定心接触段长度。公式表示为：l＝[l1，l2，l3，
…
，ln]，n＝1，2，3,
…
,14。ln分别
对应图3-4中标号1，2，3,
…
,14对应的参数。
[0058]
图3示出本公开一些实施例的机匣法兰连接结构a-a截面示意图。如图3所示，各标号对应的含义如下：1.法兰连接结构左安装边；2.法兰连接结构右安装边；3.螺栓孔分布圆直径；4.螺栓孔分布圆中心至右安装边下边缘距离；5.螺栓孔分布圆中心至右安装边上边缘距离；6.法兰安装边配合处圆角尺寸；7.法兰安装边配合处倒角尺寸；8.止口定心接触段长度；9.螺栓孔直径；10.螺栓孔分布圆中心至左安装边上边缘距离；11.螺栓孔分布圆中心至左安装边下边缘距离；12.左安装边厚度；13.右安装边厚度。
[0059]
图4示出本公开一些实施例的机匣法兰连接结构螺栓分布示意图。如图4所示，各标号对应的含义如下：14.螺栓规格及数量。
[0060]
上述参数1-14与设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸的对应关系如下：
[0061]
螺栓孔分布圆直径：设计结构尺寸、加工尺寸；
[0062]
螺栓孔至(左/右)安装边下边缘距离：设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸；
[0063]
螺栓孔至(左/右)安装边上边缘距离：设计结构尺寸、加工尺寸；
[0064]
法兰安装边配合处圆角/倒角尺寸：设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸；
[0065]
止口定心接触段长度：设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸；
[0066]
螺栓孔直径：设计结构尺寸、加工尺寸；
[0067]
左右安装边厚度：设计结构尺寸、加工尺寸；
[0068]
螺栓规格及数量：装配尺寸。
[0069]
在步骤120，根据输入的第一外部载荷组合矩阵f1，通过已建立的模糊预测模型，生成极限法兰连接结构参数矩阵l1。
[0070]
将第一外部载荷组合矩阵f1输入的模糊预测模型，模糊预测模型输出极限法兰连接结构参数矩阵l1。
[0071]
在步骤130，可选的，利用修正系数对极限法兰连接结构参数矩阵l1进行修正，得到修正法兰连接结构参数矩阵l2。
[0072]
例如，如果l1不符合设计要求，综合考虑安全裕度、可加工裕度及装配裕度，利用修正系数对极限法兰连接结构参数矩阵l1进行修正，得到修正法兰连接结构参数矩阵l2。
[0073]
利用修正系数对极限法兰连接结构参数矩阵l1进行修正包括：对极限法兰连接结构参数矩阵l1乘以矩阵元素大于1的修正系数矩阵，得到修正法兰连接结构参数矩阵l2。
[0074]
在步骤140，验证极限法兰连接结构参数矩阵l1或修正法兰连接结构参数矩阵l2是否符合设计要求；如果l1或l2不符合设计要求，继续执行修正步骤130和验证步骤140；如果l1或l2符合设计要求，执行输出步骤150。
[0075]
例如，基于仿真和试验对l1或l2进行结构的强度要求、可加工性要求、可装配性要求等设计要求的联合验证。
[0076]
在步骤150，输出符合设计要求的法兰连接结构参数矩阵，例如，输出符合设计要求的极限法兰连接结构参数矩阵l1或修正法兰连接结构参数矩阵l2。
[0077]
该实施例在航空发动机机匣法兰连接结构的设计过程中，综合考虑了满足外部载荷的设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸，可以减少设计的反复迭代次数，提高设计效率，满足高速发展的航空发动机行业对机匣连接方案设计的快速响应要求。
[0078]
图2示出本公开一些实施例的建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l
的模糊预测模型的流程示意图。
[0079]
如图2所示，该实施例的方法包括：步骤210-270。
[0080]
在步骤210，获取多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集。
[0081]
获取样本数据集的方法包括：根据任意给定的法兰连接结构参数矩阵li，采用仿真和试验方法确定给定li所对应的极限工况下的外部载荷组合矩阵fi，极限工况下的外部载荷组合矩阵fi所对应的给定li为极限工况下的法兰连接结构参数矩阵，将给定的法兰连接结构参数矩阵li和确定的极限工况下的外部载荷组合矩阵fi作为一组样本数据；重复上述方法，建立多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集。
[0082]
在步骤220，对样本数据集进行归一化处理。
[0083]
将样本数据集中的矩阵fi和li转化为取值范围为0～1之间的无量纲表达，具体如公式(1)、(2)所示。
[0084][0085][0086]
其中，f
max
、f
min
分别表示样本数据集中最大的、最小的fi，l
max
、l
min
分别表示样本数据集中最大的、最小的li。
[0087]
在步骤230，根据归一化的样本数据集，采用学习算法，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型。
[0088]
采用支持向量机学习算法或神经网络学习算法，根据归一化的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型。学习算法属于现有技术，这里不再赘述。
[0089]
例如，采用径向基函数的支持向量机学习算法时，需要训练和优化的参数为松弛变量和惩罚因子等。
[0090]
例如，采用神经网络学习算法时，需要训练和优化的参数为权重和偏置等。
[0091]
在步骤240，利用优化算法对建立的模糊预测模型的参数进行优化，以便训练模型。
[0092]
采用模拟退火优化算法或遗传优化算法，对建立的模糊预测模型的参数进行优化。优化算法属于现有技术，这里不再赘述。
[0093]
在步骤250，计算模糊预测模型的预测误差，包括：
[0094]
设定预测值与实际值之间误差的目标函数，目标函数是总样本数的平均误差值或标准差值，基于目标函数计算预测误差。
[0095]
在步骤260，判断预测误差是否满足要求，如果满足，执行步骤270，如果不满足，执行步骤240。
[0096]
设定误差阈值，将预测误差与误差阈值进行比较，若预测误差大于误差阈值，则不满足要求，重复模型优化步骤240，若预测误差小于或等于误差阈值，则满足要求，执行模型输出步骤270。
[0097]
在步骤270，输出预测误差满足要求时的模糊预测模型。
[0098]
该实施例，通过样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型。
[0099]
图5示出本公开一些实施例的航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置的示意图。
[0100]
如图5所示，航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置500包括：
[0101]
模型建立模块510，被配置为根据多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型，法兰连接结构参数矩阵li、l包括设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸；
[0102]
模型预测模块520，被配置为根据输入的第一外部载荷组合矩阵f1，通过已建立的模糊预测模型，生成极限法兰连接结构参数矩阵l1；
[0103]
验证模块530，被配置为验证极限法兰连接结构参数矩阵l1是否符合设计要求；
[0104]
输出模块540，被配置为如果l1符合设计要求，输出极限法兰连接结构参数矩阵l1。
[0105]
航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置500还包括：
[0106]
模型修正模块520a，被配置为利用修正系数对极限法兰连接结构参数矩阵l1进行修正，得到修正法兰连接结构参数矩阵l2，例如，对极限法兰连接结构参数矩阵l1乘以矩阵元素大于1的修正系数矩阵，得到修正法兰连接结构参数矩阵l2。
[0107]
验证模块530，被配置为验证修正法兰连接结构参数矩阵l2是否符合设计要求。
[0108]
输出模块540，被配置为如果l2符合设计要求，输出修正法兰连接结构参数矩阵l2。
[0109]
航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置500还包括：样本数据集获取模块510a，被配置为采用以下方法获取样本数据集：
[0110]
根据任意给定的法兰连接结构参数矩阵li，采用仿真和试验方法确定给定li所对应的极限工况下的外部载荷组合矩阵fi，极限工况下的外部载荷组合矩阵fi所对应的给定li为极限工况下的法兰连接结构参数矩阵，将给定的法兰连接结构参数矩阵li和确定的极限工况下的外部载荷组合矩阵fi作为一组样本数据；
[0111]
重复上述方法，建立多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集。
[0112]
模型建立模块510，被配置为：
[0113]
对样本数据集进行归一化处理；
[0114]
根据归一化的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型；
[0115]
利用优化算法对建立的模糊预测模型的参数进行优化；
[0116]
计算模糊预测模型的预测误差，输出预测误差满足要求时的模糊预测模型。
[0117]
图6示出本公开一些实施例的航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置的示意图。
[0118]
如图6所示，航空发动机机匣法兰连接结构的设计装置600包括：
[0119]
存储器610以及耦接至该存储器610的处理器620，处理器620被配置为基于存储在存储器610中的指令，执行前述任意一些实施例中的航空发动机机匣法兰连接结构的设计
方法。
[0120]
例如，根据多组外部载荷组合矩阵fi和法兰连接结构参数矩阵li的样本数据集，建立外部载荷组合矩阵f和法兰连接结构参数矩阵l的模糊预测模型，法兰连接结构参数矩阵li、l包括设计结构尺寸、加工尺寸、装配尺寸；
[0121]
根据输入的第一外部载荷组合矩阵f1，通过已建立的模糊预测模型，生成极限法兰连接结构参数矩阵l1；
[0122]
验证极限法兰连接结构参数矩阵l1是否符合设计要求；
[0123]
如果l1符合设计要求，输出极限法兰连接结构参数矩阵l1。
[0124]
如果l1不符合设计要求，利用修正系数对极限法兰连接结构参数矩阵l1进行修正，得到修正法兰连接结构参数矩阵l2；
[0125]
验证修正法兰连接结构参数矩阵l2是否符合设计要求；
[0126]
如果l2符合设计要求，输出修正法兰连接结构参数矩阵l2；
[0127]
如果l2不符合设计要求，继续执行修正步骤和验证步骤。
[0128]
其中，存储器610例如可以包括系统存储器、固定非易失性存储介质等。系统存储器例如存储有操作系统、应用程序、引导装载程序(boot loader)以及其他程序等。
[0129]
装置600还可以包括输入输出接口630、网络接口640、存储接口650等。这些接口630，640，650以及存储器610和处理器620之间例如可以通过总线660连接。其中，输入输出接口630为显示器、鼠标、键盘、触摸屏等输入输出设备提供连接接口。网络接口640为各种联网设备提供连接接口。存储接口650为sd卡、u盘等外置存储设备提供连接接口。
[0130]
本公开一些实施例提出一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现航空发动机机匣法兰连接结构的设计方法的步骤。
[0131]
本领域内的技术人员应当明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机程序代码的非瞬时性计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0132]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0133]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0134]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0135]
以上所述仅为本公开的较佳实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。