论文摘要
管路布局设计是航空发动机设计中重要的设计步骤之一,它的好坏直接关系到航空发动机的性能、可靠性、生命周期以及经济成本。目前在实践中,航空发动机管路布局设计主要依靠经验丰富的技术人员或专家通过计算机辅助的方式去完成。由于航空发动机管路数量庞大,约束规则繁多及布局空间复杂,这种方法其设计过程十分复杂与耗时,不仅使发动机管路布局设计很难达到最优化,而且使设计周期、设计质量与效率难以满足装备制造业发展的需求。因而,管路布局设计的自动化和优化成为了一项巫待解决的热点问题。随着生命科学迅猛发展,出现了许多用以解决复杂设计问题的智能算法。基于这些智能算法的管路智能布局设计可以实现管路布局设计的自动化和优化,对提高布局设计效率和质量,减轻设计人员负担,缩短航空发动机设计周期和降低制造成本有着重要意义。到目前为止,管路智能布局研究虽然已经取得了一定的研究成果,但仍未形成一套成熟完善的管路布局方法。在这种背景下,本文在综合分析目前国内外管路智能布局研究的基础上,以航空发动机管路为研究对象,深入研究了单管路、分支管路和多管路智能布局算法,并且开发了原型系统。本文的主要研究内容如下：（1）阐述了国内外管路布局研究现状,综合分析了当前各种研究方法中存在的问题,并在此基础上提出了本文的研究方向和思路。（2）建立了以管路端点坐标为变量,以最短管路路径为优化目标管路布局的数学模型。而且,针对复杂产品管路布局空间具有高度的复杂性以及管路布局空间数字模型占用大量的计算机资源的问题,基于区域化、网格化和包围式扫描思想首次提出了一种填充-包围式空间信息提取方法,从而解决了管路智能布局的首要关键问题。实例验证了该方法的有效性。（3）基于空间构造、空间离散和启发式思想,结合工程规则首次提出了基于工程规则和空间离散的航空发动机管路布局方法。在该方法中,通过小模型环境空间的建立缩小了搜索范围,提高了路径的搜索效率；通过布局空间的离散降低了路径搜索的复杂度,并且避免了管路编织成网；通过基于工程规则的布管策略提高了布管质量。实例证明了该方法在单管路布局中的可行性和有效性。（4）在对人工鱼群算法和混沌优化算法深入研究的基础上,提出了改进的混沌人工鱼群算法。在该算法中,一方面通过混沌随机性、遍历性和对初值的敏感性的特性控制人工鱼的全局搜索和局部搜索过程,另一方面对人工鱼的视野范围和移动步长进行了梯度化设置,在保证收敛性的同时,有效地提高了种群的多样性、全局搜索能力和寻优效率。通过与人工鱼群算法和混沌人工鱼群算法的性能分析对比,证明了改进的混沌人工鱼群算法能够高效地搜索全局最优解。而且,通过测试示例表明该算法在单管路自动布局中能够取得比较满意的结果。（5）在对人工蜂群算法深入研究的基础上,提出了应用于航空发动机管路布局的人工蜂群算法。该算法通过规则引导的邻域搜索策略和锦标赛选择策略分别解决了航空发动机管路规划邻域构造问题以及标准ABC算法过早收敛和停滞问题。通过实例仿真验证了该算法有效克服了停滞行为的过早出现,而且能够加快收敛速度,得到全局最优解或近似解,是解决航空发动机管路路径规划问题的一种有效算法。（6）根据分支管路自身的特点,基于启发式工程规则搜索思想首次提出了基于工程规则面向同一层面的分支管路布局方法。在该方法中,通过对布局空间的二维转化、分支管路路径的分解、基于工程规则的路径搜索策略以及重合度计算和比较,实现了不必考虑管路的分支点的位置,也不必考虑支管布局的顺序,就可以布局出满足工程要求的分支管路。实例证明了该方法在分支管路布局中的可行性和有效性。（7）在对迷宫算法进行深入研究的基础上,首次提出了分支管路的协同迷宫算法。在分支管路的协同迷宫算法中,通过引入协同进化思想,分支管路被分解为多个单独的管路,同时将每条单独管路分别对应一个种群,所有种群构成一个生态系统。进一步,通过迷宫算法对每一个种群寻找其当前最优个体。最后,计算和比较路径重合度,从而获得这个生态系统的最优个体。该算法不必考虑管路的分支点的位置和支管布局的顺序就能使分支管路布局达到最优搜索的同时,有效地提高了寻优速度。实例验证了该算法的有效性和可行性。（8）在综合分析协同进化算法的原理、特点和类型的基础上,将协同进化算法与改进的混沌人工鱼群算法结合应用于多管路布局,首次提出了基于改进的混沌人工鱼群协同进化算法的多管路智能布局方法。该方法将每个管路对应一个种群,一方面通过各物种在自己的种群中通过混沌人工鱼群算法独立地进化,另一方面通过选取代表共同构成系统模型的方法来相互协作以使多管路布局达到最优。该算法不仅避免了在管路增多情况下的组合爆炸现象,而且不用考虑布局顺序从整体上优化管路布局。经仿真实验验证,所构建的算法较应用改进的混沌人工鱼群算法进行管路的顺序布局方法,可以在多管路并行布局中取得更好的布局结果。（9）基于本文的研究方法及内容,设计了航空发动机管路智能布局原型系统的总体框架,并开发了航空发动机管路智能布局原型系统。该系统包括管路布局空间信息提取、管路布局初始信息识别、管路路径规划、管路模型创建以及管路工程信息输出功能,实现了管路规划的易操作性和管路规划方案的可视化。
论文目录
相关论文文献
标签：航空发动机论文; 管路智能布局设计论文; 工程规则论文; 混沌人工鱼群算法论文; 人工蜂群算法论文; 协同进化算法论文;