[发明专利]结构密封设计的形状优化方法

说明书

本发明公开了一种结构密封设计的形状优化方法，用于解决现有形状优化方法实用性差的技术问题。技术方案是首先对所考虑的装配体结构进行有限元建模、接触分析和灵敏度求解；然后将处于非接触状态接触单元的零接触力修改为对应的接触间隙乘以一个自定义系数，避免了零接触力的灵敏度也为零的问题；之后通过计算得到接触压力值及其灵敏度；在优化设计模型中引入一组接触压力受下限约束的设计条件，调用梯度优化算法，根据灵敏度信息进行优化迭代，得到优化设计结果。本发明方法能够在改善结构性能的同时，得到保证结构密封性的设计结果，并且所需要的迭代步数在100步之内，设计效率高，工程实用性强。

技术领域

本发明涉及一种形状优化方法，特别涉及一种结构密封设计的形状优化方法。

背景技术

机械密封可以防止流体泄漏、保持腔体压力、防止污染物的意外排放，在航空航天、汽车、船舶、家电等产品的结构中起着重要作用。机械密封的密封性是通过将密封元件挤压在与其配合的表面上来保证的。由于即使再精细的加工方法也不能完全消除表面粗糙度，对于较小的接触压力，密封配合面上的实际接触面积很小，并不能形成可靠的密封。随着接触压力的增大，实际接触面也随之扩大，直到接触压力达到某个临界值，使密封配合面间形成连续的接触簇，才能形成可靠的密封。因此，为了保证密封性，密封配合面各处的接触压力须大于一个阈值，在优化设计问题中对应于一组接触压力受下限约束的设计条件。虽然在密封领域有很多的现行标准和规范可以参考，但是这些标准和规范难以满足日益增长的工程需求。并且接触压力对接触面的形状很敏感，即使很小的接触面形状变化也会使接触压力产生较大的变化，很难通过直观判断获得满足结构密封性的设计。为了加快设计周期、节约成本，需要采用系统化的形状优化方法来根据实际需求和工作环境设计新型的机械密封结构。

文献1“A.Klarbring,M.Nested approach to structuraloptimization in nonsmooth mechanics,Structural Optimization,10(1995)79-86.”公开了一种考虑接触力上限约束的形状优化设计方法，该方法使用梯度优化算法，实现了在每个接触点的接触力不超过指定上限的约束条件下的桁架结构减重优化设计。但这种方法在灵敏度分析时得到的零接触力关于设计变量的灵敏度也为零，将该方法应用于考虑结构密封的形状优化设计问题时，若遇到零接触力，基于梯度的优化算法不能找到使接触力增大的可行方向，优化迭代过程最终将无法收敛到一个可行解，导致优化失败。

文献2“J.Petersson,Behaviourally constrained contact forceoptimization,Structural Optimization,9(1995)189-193.”公开了一种考虑接触力下限约束的形状优化方法。这种方法以最小化系统平衡势能为目标，解析推导出了在接触力受下限约束时形状优化问题的解。但该方法仅适用于弹性体-刚性体接触且刚性体的接触面为可设计边界的情形，无法处理更一般的弹性体-弹性体接触问题以及非接触面为可设计边界的形状优化问题。

文献3“授权公告号是CN 104019091 B的中国发明专利”公开了一种低压涡轮后轴的设计方法，此方法通过引入接触压力不小于一个较小正压力的约束条件，实现了保证低压涡轮后轴和封严跑道之间密封性的形状优化设计。但该方法使用遗传算法对优化问题进行求解，计算量大，所需要的迭代步数为设计变量数目的5000～10000倍，其求解效率低，实用性差。

发明内容