基于指尖密封性能优化的分层法及蚁群算法研究

论文摘要

指尖密封是近年来发展起来的一种新型密封技术，国内外许多专家学者以针对提高该密封装置的密封及使用寿命等性能做了大量研究工作。但目前针对指尖密封所做的有关研究都是以某单项指标(如迟滞率或使用寿命)作为设计优化目标，而指尖密封使用寿命和迟滞率是一对相互矛盾的目标函数，所以获得的结果在理论上并非是“最优”的，而且国内外针对提高指尖密封性能等方面所进行的许多研究也都只是对指尖密封型线、厚度等一两个结构参数进行改进，尚没有针对指尖密封型线、厚度、摆角、周向尺寸等多个参数对指尖密封迟滞、使用寿命等性能综合影响的研究。针对这些情况，本文基于影响指尖密封工作性能和寿命的两个关键因素——迟滞率和指尖靴部接触压力，对指尖密封型线、厚度、摆角、周向尺寸等多个参数进行了结构多目标优化设计。 本文首先利用有限元软件Marc中的参数化建模功能建立了求解速度快，精度高的指尖密封有限元模型，使优化程序能够快速准确的求解目标函数值指尖密封接触压力及迟滞率。在此基础上，通过采用改进后的多目标蚁群算法对指尖密封进行结构多目标优化，得到了指尖密封接触压力和迟滞率的非劣解集。从优化所得Pareto解集中分析得出了许多对提高指尖密封性能有价值的结论，例如在其它尺寸参数取值相同的情况下，型线形状上凹的指尖密封性能普遍优于型线形状上凸的指尖密封。最后，本文采用了宽容分层法与单目标蚁群算法相结合的混合优化算法对指尖密封进行优化，得到了较为理想的结果。相比于多目标蚁群算法，宽容分层法与单目标蚁群算法相结合的混合算法能够求解满足某一目标函数范围内的其它目标函数的最优解，从而能够针对指尖密封不同应用场合而得到满足指尖密封接触压力或迟滞率一定许可范围内的指尖密封优化解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 密封装置在航空发动机中的应用
• 1.1.1 密封装置对航空发动机性能的重要作用
• 1.1.2 指尖密封在航空发动机中的应用
• 1.2 指尖密封技术的研究现状
• 1.2.1 指尖密封的国内外发展现状
• 1.2.2 指尖密封研究中尚存在的问题
• 1.3 对指尖密封进行多目标优化的目的及意义
• 1.4 结构多目标优化算法概述
• 1.4.1 常用多目标优化算法
• 1.4.2 分层序列法介绍
• 1.4.3 蚁群算法介绍
• 1.5 本文主要内容和研究意义
• 第二章 指尖密封系统的有限元模型
• 2.1 引言
• 2.2 Marc软件简介
• 2.2.1 Marc软件接触分析模块功能
• 2.2.2 Marc软件参数化功能
• 2.3 指尖密封系统的有限元分析模型
• 2.3.1 指尖密封的结构
• 2.3.2 指尖密封模型的参数化建模
• 2.3.3 模型的网格划分
• 2.3.4 接触及边界条件设置
• 2.4 指尖密封有限元分析及后处理
• 2.5 小结
• 第三章 基于多目标蚁群算法的指尖密封结构优化
• 3.1 引言
• 3.2 混合变量单目标蚁群算法
• 3.2.1 单目标蚁群算法（ACO）
• 3.2.2 混合变量单目标蚁群算法的原理
• 3.2.3 混合变量单目标蚁群算法的信息素更新机制
• 3.3 基于混合变量单目标蚁群算法的改进算法
• 3.3.1 对混合变量单目标蚁群算法改进的目的
• 3.3.2 对混合变量单目标蚁群算法的改进多目标算法
• 3.3.3 算例验证
• 3.4 基于改进后多目标蚁群算法的指尖密封优化
• 3.4.1 指尖密封结构优化程序的编写及求解
• 3.4.2 指尖密封结构优化结果分析
• 3.4.3 指尖密封型线优化结果分析
• 3.4.4 指尖密封优化型线与两种常用型线的性能对比
• 3.5 小结
• 第四章 基于宽容分层法及蚁群算法的指尖密封结构优化
• 4.1 引言
• 4.2 基于宽容分层法/蚁群算法的混合算法
• 4.2.1 宽容分层法介绍
• 4.2.2 宽容分层法/蚁群算法混合算法
• 4.3 基于混合宽容分层法/蚁群算法的指尖密封结构优化
• 4.3.1 指尖密封结构优化程序的编写及求解
• 4.3.2 指尖密封结构优化的结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢