针对全断面硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)掘进载荷的影响参数众多,推进力预测模型精度低的问题,根据引松工程实测数据,利用Kriging模型提出一种参数系数分析方法,对参与建模的掘进参数进行关键参数识别,达到合理降维目的。使用已得关键参数进行掘进总推进力预测模型的建立,并对不同参数个数所建立的总推进力模型精度进行对比,采用统计学分析方法,得到预测精度较高的总推进力模型。分析表明,Kriging模型的参数识别方法能够识别出对推进力影响的关键参数,建立的推进力Kriging预测模型精度由0.68提高到0.81,此研究还可以被应用于和TBM掘进载荷相似以及相近的复杂机械系统进行系统参数识别分析和合理的设计指导。

针对双高双立柱式堆垛机结构设计时存在的结构非线性与设计参数响应值之间复杂的隐式关系。采用三维参数化建模和最佳填充样本空间(OSF)进行试验设计,利用Kriging模型建立双高双立柱式堆垛机设计参数和最大应力、最大位移和质量之间的映射关系,通过精英保留策略快速非支配排序多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ),实现堆垛机结构尺寸、箱型梁壁厚的最佳寻优化方案,以满足强度、刚度、稳定性和优化设计目标。结果表明,采用该方法能够有效提高双高双立柱式堆垛机的静态结构优化设计精度和效率。

为了更好地研究坦克总体结构参数对炮口扰动的影响程度,提出了一种坦克结构参数不确定性分析流程。利用动力学分析软件建立了某型坦克炮发射动力学模型,并对其行进间发射过程进行仿真分析,进而随机抽取样本点代入多体动力学方程进行仿真计算。通过训练Kriging代理模型构建了坦克不确定性的Kriging近似模型,利用失效模式灵敏度分析(MSA)方法得到了坦克结构参数灵敏度排序结果。最后运用多岛遗传算法对坦克刚柔耦合模型的炮口角位移进行了优化,得到了使坦克系统炮口扰动更小的结构参数。

作为电动飞机的一项关键技术,分布式螺旋桨推进已成为绿色航空未来发展的重要研究方向。本文以结合多参考系(MRF)的RANS方法作为气动性能分析手段,采用Kriging代理模型对分布式螺旋桨的安装位置对全机气动性能的影响进行了建模研究,并对基准构型和优选构型的流动进行了对比分析。结果表明,螺旋桨往前方移动后全机的升阻比增大;相对于原始构型,优选构型的上表面低压区面积明显增大,吸力峰明显增强,下表面的压强增大,低压区域减少,分布式电推进系统的效率得到有效提升。本文的研究能够支撑以分布式螺旋桨为动力的电动飞机的总体设计,为螺旋桨的安装提供有效参考,从而进一步提升电动飞机的经济性。

随着电梯梯速的提高,轿厢受到的气动阻力和升力越来越大,这不仅制约着梯速的进一步提高,也成为影响电梯舒适性和安全性的关键因素。为优化电梯的气动性能,利用NURBS曲线构建了包括导流罩、轿厢、对重和井道的电梯系统参数化模型。以气动阻力系数Cd和气动升力系数Cl为优化目标,利用敏感性分析筛选出对优化目标影响最大的4个关键设计参数。通过网格独立性检验选取合适的仿真计算网格,为缩短计算时间,结合最优空间填充设计的样本点建立Kriging模型对导流罩进行多目标优化,得到一系列Pareto解,并对优化前后导流罩的气动性能进行了对比分析。结果表明,降低导流罩侧面和后部凸凹度,增大导流罩总高和后部高,可以改善电梯系统的气动性能,优化后导流罩的Cd减小26.67%,Cl减小34.27%,并且在不同梯速下具有较好的适用性。

倾转旋翼机的旋翼气动外形设计需要对其直升机模式和固定翼模式下的不同要求进行综合考虑。通过基于Kriging模型的多目标遗传算法建立一套适用于倾转旋翼桨叶气动外形优化设计方法,采用拉丁超立方抽样试验设计方法得到样本点,并建立Kriging模型替代费时的流动数值模拟。以最大化旋翼地面悬停拉力和高空巡航效率为目标,以地面悬停功率不增和巡航拉力不减为约束条件,进行倾转旋翼桨叶平面形状优化设计,并经过非定常数值模拟和风洞试验验证。结果表明:数值模拟结果和风洞试验结果吻合良好,优化结果满足设计指标。

液压柱塞泵作为液压系统的核心动力元件,其能量转换效率很大程度上决定了整个液压系统的性能和可靠性,而目前采用的能量转换效率模型多为确定性数值模型,没有考虑参数随机性的影响,无法真实反映柱塞泵的实际运行状态。提出了基于Kriging模型的柱塞泵总效率建模方法,选用柱塞泵总效率为可靠性失效判据,分别采用改进一次二阶矩法和Monte-Carlo数值仿真法对柱塞泵总效率进行可靠性和可靠性灵敏度分析。分析结果表明:Kriging模型采用少量的样本模拟的总效率模型具有较高的精度,模拟结果可以获取全面的柱塞泵效率特性;运行工况条件对柱塞泵总效率可靠性灵敏度具有重大影响,不同工况下灵敏度具有较大差异。提出的方法可推广至其他液压泵总效率模型的建立及可靠性灵敏度分析。

针对斗轮堆取料机前臂轻量化优化设计过程中存在的不确定性,建立考虑结构参数、材料性能、负载以及代理模型不确定性的前臂轻量化优化设计方法。为提高计算效率,构造精度较高的Kriging模型。首先对前臂质量进行确定性优化,并将优化设计结果作为可靠性优化算法的初始值,在此基础上建立多因素不确定性优化模型。最后根据设计要求,考虑多种不确定性因素,对前臂质量进行了可靠性优化。结果表明:该方法大幅降低了前臂的质量,优化结果可靠性高。

针对8′-150LB轴流式止回阀研究其流阻特性,并对其阀芯结构和文丘里阀口结构进行优化设计。为获得轴流式止回阀全开状态下的最小流阻,采用Nystrom法对阀门设计参数进行了确定,利用正交试验方法列出3因素,5水平的25组试验。在此基础上,建立设计参数与性能的Kriging响应面模型。最后利用遗传粒子群算法对Kriging模型进行优化,选取阀门减阻优化设计最优结构参数。

为提高离心压气机变流量工况下的性能,基于三维流场分析研究了离心压气机叶片几何参数对其变工况气动性能的影响规律;基于相关性分析建立了降阶的优化设计变量空间,采用拉丁超立方试验设计、Kriging模型和NSGA.Ⅱ算法进行了离心压气机叶轮变流量工况多目标优化。优化后,叶轮设计流量的压比提高6.43%,效率提高3.99%;小流量时压比提高5.62%,效率提高3.52%;内部流动损失减少,喘振流量减小2.7%,阻塞流量增加6.85%,稳定工作范围得到扩宽。