復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法和近似技術(shù)研究.pdf

1、在現(xiàn)代航空推進(jìn)系統(tǒng)中，渦輪盤(pán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其工作條件非常嚴(yán)酷。為了減少或避免渦輪盤(pán)破壞性故障的發(fā)生，亟需采用有效方法進(jìn)行渦輪盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便改善渦輪盤(pán)內(nèi)部的溫度及應(yīng)力分布狀況，提高渦輪盤(pán)的設(shè)計(jì)品質(zhì)。因此，本文以發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題為應(yīng)用背景，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法和近似技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。
　　在復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法上，主要研究了現(xiàn)代智能優(yōu)化算法中的遺傳算法和差分進(jìn)化算法，重點(diǎn)解決已有遺傳算法和差分進(jìn)化算法

2、在求解復(fù)雜約束優(yōu)化問(wèn)題時(shí)存在的早熟收斂、局部收斂、優(yōu)化后期收斂速度慢等問(wèn)題，提出有效的解決方法和優(yōu)化算法。在近似技術(shù)方面，主要研究函數(shù)全局近似方法中的Kriging響應(yīng)面法近似技術(shù)，重點(diǎn)解決已有Kriging響應(yīng)面法在近似求解復(fù)雜優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)存在的函數(shù)評(píng)價(jià)次數(shù)多和計(jì)算量大的問(wèn)題。
　　首先，在分析遺傳算法原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)遺傳算法不適合求解復(fù)雜約束優(yōu)化問(wèn)題的缺陷，提出一種能夠處理復(fù)雜約束條件的約束分級(jí)與排序方法。基于該方法和

3、改進(jìn)的遺傳算子，提出一種求解約束優(yōu)化問(wèn)題的基于約束分級(jí)與排序的遺傳算法。數(shù)值試驗(yàn)表明，該算法具有較好的穩(wěn)定性和全局尋優(yōu)能力，能夠有效求解連續(xù)變量約束優(yōu)化問(wèn)題和連續(xù)-離散混合變量約束優(yōu)化問(wèn)題。
　　其次，在分析差分進(jìn)化算法原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)原始差分進(jìn)化算法在求解約束全局優(yōu)化問(wèn)題時(shí)存在陷入局部最優(yōu)的缺陷，提出一種改進(jìn)的差分進(jìn)化算法。該算法采用基于規(guī)則的方法進(jìn)行種群個(gè)體的比較及選擇，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜約束條件的處理;并利用種群相似度和最優(yōu)變異操作

4、改善種群進(jìn)行全局范圍搜索的多樣性，提高算法跳出局部最優(yōu)的能力。數(shù)值試驗(yàn)表明，該算法具有較好的穩(wěn)定性、收斂速度和全局尋優(yōu)能力，不僅能有效求解連續(xù)變量約束優(yōu)化問(wèn)題，也適用于離散變量或混合變量?jī)?yōu)化問(wèn)題。
　　再次，針對(duì)原始差分進(jìn)化算法后期收斂速度慢和不適合求解約束全局優(yōu)化問(wèn)題的缺陷，提出一種魯棒的存檔差分進(jìn)化算法。該算法利用柔性處理算子擴(kuò)展對(duì)不同類(lèi)型優(yōu)化問(wèn)題的適用性;利用存檔算子、迭代控制以及效率處理算子避免在設(shè)計(jì)空間中不必要的重復(fù)搜索

5、，從而提高算法的局部搜索效率和最終解的精確度。數(shù)值試驗(yàn)表明，該算法具有較好的穩(wěn)定性、收斂速度和全局尋優(yōu)能力，對(duì)不同類(lèi)型優(yōu)化問(wèn)題的適用性好，不僅適用于無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，而且適用于連續(xù)變量和連續(xù)-離散混合變量約束優(yōu)化問(wèn)題。
　　然后，為了解決復(fù)雜工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)精度和計(jì)算代價(jià)之間的矛盾，針對(duì)已有的Kriging方法計(jì)算量較大的缺陷，從樣本處理、試驗(yàn)樣本選取和近似優(yōu)化框架三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，并將改進(jìn)的Kriging方法與現(xiàn)代智能優(yōu)化方法相

6、結(jié)合，提出一種基于Kriging的近似優(yōu)化方法，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的求解提供一種計(jì)算代價(jià)低且計(jì)算精度能夠滿(mǎn)足工程需要的有效途徑。計(jì)算結(jié)果表明，基于Kriging的近似優(yōu)化方法能夠在優(yōu)化計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足工程精度要求的前提下，顯著減少優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真分析次數(shù)，降低計(jì)算代價(jià)。
　　最后，針對(duì)具有熱-慣性離心載荷耦合作用特點(diǎn)的渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，建立渦輪盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型及載荷分析模型，用基于Kriging的近似優(yōu)化方法進(jìn)行渦輪盤(pán)的近似優(yōu)化設(shè)計(jì)，并