[发明专利]一种基于数字孪生和强化学习的离心式叶轮综合优化方法

说明书

本发明涉及一种基于数字孪生和强化学习的离心式叶轮综合优化方法，包括步骤一：建立离心式叶轮CI的数字几何模型，离心式叶轮CI的初始叶型曲面的直纹曲面；步骤二：加工性能评估，生成所述直纹曲面在侧铣加工中的刀位面以及模拟侧铣加工轨迹，分析所述离心式叶轮CI可展直纹化前后加工性能的误差；步骤三：气动性能评估，对比分析所述离心式叶轮CI可展直纹化前后的气动性能的差异；步骤四：以所述加工性能和气动性能作为评价指标，结合强化学习制定优化方法，对所述离心式叶轮CI的数字几何模型的直纹曲面进行优化。基于数字孪生和强化学习，实现了对离心式叶轮CI数字几何模型、加工性能评估、气动性能评估一体的集成化设计与优化。

技术领域

本发明涉及小型燃气涡轮发动机或增压器用离心式叶轮优化领域，具体涉及到一种基于数字孪生和强化学习的离心式叶轮综合优化方法。

背景技术

离心式叶轮(Centrifugal Impeller，简称CI)因结构简单、小流量下效率高，成为小型燃气涡轮发动机或增压器等动力系统的核心转动部件。对于离心式叶轮CI来说，尽管效率、压比等性能参数尤为重要，但从应用对象的角度考虑，小型动力装置更看重的是制造成本。离心式叶轮CI的叶型曲面多为自由曲面，虽然设计自由度大，但只能采用相对效率较低的端铣法加工(铣刀底部作为主切削刃)。研究表明，当叶型曲面为可展的直纹曲面时，若采用侧铣加工方法，则刀具的包络面与被加工曲面相切，刀具侧刃为主切削刃，不仅加工效率高且表面质量好。因此对于自由曲面离心式叶轮CI(简称CI_FFSB)，提高加工性能的重要途径是通过几何优化的方法将自由曲面转化为近似可展直纹面，但叶型曲面的变形通常会造成离心式叶轮CI的气动性能下降。因此，几何造型设计时兼顾气动性能和加工性能是提升离心式叶轮CI集成化设计、降低制造成本的关键因素。

数字孪生(Digital Twin,DT)以数字化方式创建物理实体的虚拟模型,借助信息物理数据的融合模拟物理实体的行为,通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为物理实体增加或扩展新的能力。数字孪生的多维性和实时性为离心式叶轮CI的一体化设计和综合优化提供了平台，在对叶轮型面可展直纹化后，其加工性能和气动性能优化不能兼得，通过对叶轮参数化模型进行直纹化，综合分析其气动性能和加工性能，实现几何造型、加工性能和气动性能的一致迭代优化，对于离心式叶轮集成化设计具有非常重要的意义。

目前，在离心式叶轮CI设计过程中兼顾气动性能和加工性能方面，现有研究成果大多只部分揭示可展直纹化对气动性能的影响规律，并没有从综合优化策略上出发找寻两者的最佳平衡点；其次，在离心式叶轮CI近似可展直纹化提升加工性能方面，现有的研究将叶轮型面直纹化后无法精确表达离心式叶轮CI直纹化前后曲面误差；现有的气动分析与制造性能评估耦合性差，单独分析不能进行统一考虑，信息数据不能及时共享。目前离心式叶轮CI叶型优化都是以气动分析为主，再进行加工性能分析，造成实际加工的叶片气动性能差，设计、仿真、制造流程繁琐，经济性差。

发明内容

本发明提出了一种基于数字孪生和强化学习的离心式叶轮综合优化方法，包括以下步骤：

一种基于数字孪生和强化学习的离心式叶轮综合优化方法，包括以下步骤：

步骤一：建立离心式叶轮CI的数字几何模型，对所述离心式叶轮CI进行可展直纹化，生成所述离心式叶轮CI的初始叶型曲面的直纹曲面；

步骤二：加工性能评估，生成所述直纹曲面在侧铣加工中的刀位面以及模拟侧铣加工轨迹，分析所述离心式叶轮CI可展直纹化前后加工性能的误差；

步骤三：气动性能评估，对比分析所述离心式叶轮CI可展直纹化前后的气动性能的差异；

步骤四：以所述加工性能和气动性能作为评价指标，结合强化学习制定优化方法，对所述离心式叶轮CI的数字几何模型的直纹曲面进行优化。

进一步，所述步骤一是采用NURBS曲线曲面构造方法离散离心式叶轮CI的初始叶型曲面引导线的方法进行可展直纹化，具体包括以下步骤：