一种涡轮叶片温度场和应力场降阶模型构建方法

本发明属于航空发动机领域，特别涉及一种涡轮叶片温度场和应力场降阶模型构建方法。

背景技术：

1、航空发动机状态监控和预测性维护是保证航空发动机结构使用安全、提高飞行器使用寿命，充分发挥航空发动机寿命潜力和保证作战能力的重要方法。随着航空发动机健康监控技术的发展以及数字孪生概念的兴起，产生了基于实际使用用法的单机寿命管理理念与技术，其通过构建航空发动机的高保真数字模型并融合现场监控数据，实现航空发动机使用过程中的健康监控与寿命管理。

2、然而，传统的高保真数字模型多采用有限单元法、有限体积法等数值方法进行求解，往往计算周期长，难以满足寿命监控的实时性需求。近年来，降阶模型技术被提出用以代替传统仿真模型实现在线过程的快速计算。目前的降阶模型技术是对模型各参数变化范围独立地进行均匀抽样，以构建样本集进行降阶建模。然而，这种做法一方面在面对高维度变量时会面临维度爆炸问题，另一方面会导致不满足实际飞行过程的样本，增加降阶模型的复杂度。

3、现有专利cn116842641a《一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法》公开了一种涡轮叶片全局物理场重构方法，该方法通过针对快照矩阵计算得到一组降阶正交向量，作为物理场分布的主要模态；根据有限个数的传感器测量信息及主要模态重构涡轮叶片的全局物理场。而已有研究表明，样本点计算点的选取对降阶正交向量有较大影响，传统的抽样方法用于涡轮叶片的温度场、应力场降阶存在样本选取不合理、构建效率低等问题。

4、现有专利cn115455819a《一种涡轮叶片多工况瞬态流场迁移降阶智能建模方法》公开了一种多工况瞬态流场迁移降阶智能建模方法，该方法通过对预设工况进行瞬态计算，获取预设截面上若干监测点数据，以此为基础构建降阶模型。而实际涡轮叶片工作过程中工况处在动态变化过程中，此方法缺少对边界条件变化的考虑，同时缺少涡轮叶片固体的温度场、应力场降阶过程。

5、因此，需要发展一种适用于航空发动机涡轮叶片服役过程的降阶模型样本集抽样方法，解决涡轮叶片温度场/应力场降阶模型离线阶段构建成本高、难以应用的问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种涡轮叶片温度场和应力场降阶模型构建方法，以力图解决或至少缓解上面存在的问题。

2、该方法包括：

3、步骤s110，获取服役过程中涡轮叶片的流固传热仿真和静力学仿真所需的边界条件参数变化历程，其中边界条件参数包括涡轮主流道进口总温和总压、冷却气流进口总温和总压、涡轮主流道出口静压、转速；

4、s120，获取边界条件参数变化历程后，根据转速变化范围划分组别，每组内抽取若干点，选取其中70%构成wasserstein变分自编码器（wasserstein auto-encoder，wae）训练集，30%构成wasserstein变分自编码器验证集，采用基于动量的随机梯度下降优化算法训练wasserstein变分自编码器；

5、s130，建立涡轮叶片的流固传热仿真模型、涡轮叶片静力学仿真模型；

6、s140，对低维潜在变量分布进行拉丁超立方采样，基于步骤s120建立的wasserstein变分自编码器，生成样本计算点参数作为步骤s130的涡轮叶片流固传热仿真模型、涡轮叶片静力学仿真模型输入，获取涡轮叶片温度场、应力场样本集，采用本征正交分解理论构建温度场样本集和应力场样本集的流场降阶模型，获取流场降阶模型的解空间基函数；

7、s150，结合步骤s140确定的解空间基函数，获取边界条件参数-涡轮叶片温度场数据集和边界条件参数-涡轮叶片应力场数据集中各解用基函数表示的系数，构建边界条件参数-涡轮叶片温度场基函数系数数据集和边界条件参数-涡轮叶片应力场基函数系数数据集；采用径向基函数方法建立和代理模型，其中f是边界条件参数-涡轮叶片温度场基函数系数映射关系，g是边界条件参数-涡轮叶片应力场基函数系数映射关系；

8、s160，服役过程中，以实际变化的参数作为代理模型输入，以获取降阶基函数系数，通过本征正交分解对基函数进行线性叠加，得到涡轮叶片温度场、应力场降阶模型。

9、在以上方法中，所述实际变化中的参数包括涡轮主流道进口总温和总压、冷却气流进口总温和总压、涡轮主流道出口静压、转速。

10、在以上方法中，wasserstein变分自编码器的损失函数分为两部分：重构损失和正则子，其中重构损失采用均方误差损失，表达式为，x为服役参数，为编码器输出参数，n是编码器输出个数，正则子采用最大平均差异，表达式为：

11、，

12、式中，q为编码器实际输出的潜在变量分布，d为潜在变量目标分布和实际分布的散度，λ为超参数，x为训练参数，g为解码器输出，c(x,g(z))表示训练参数与解码器输出的距离度量。

13、在以上方法中，所述流固传热仿真模型包括涡轮流道、涡轮叶片模型，边界条件包括主流和叶片冷却通道进口总温总压、涡轮流道出口静压，所述静力学仿真模型包括涡轮叶片模型，载荷为传热模型计算的温度场热、应力以及转速。

14、本发明技术方案的有益效果是：

15、1、本发明采用最优传输（optimal transport，ot）方法中的wasserstein距离，通过潜在变量连续的混合分布qz匹配pz，使得不同样本的潜编码可能彼此相距较远，提高编码器重建精度。有效的解决了传统变分自编码器（variational auto-encoders，vae）类深度学习生成模型后验坍塌的问题，同时与其相比训练更为稳定。

16、2、本发明基于wae抽样器生成降阶模型所需的样本集，使得样本集所张成的解空间更符合实际使用情况，提高了有效样本的抽取，并且减少了非必要的基底，降低了降阶模型的离线构建成本；在航空发动机寿命管理具有广泛的应用前景，能为相关工作者提供一定的技术支持。

技术特征：

1.一种涡轮叶片温度场和应力场降阶模型构建方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片温度场和应力场降阶模型构建方法，其特征在于，所述实际变化中的参数包括涡轮主流道进口总温和总压、冷却气流进口总温和总压、涡轮主流道出口静压、转速。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片温度场和应力场降阶模型构建方法，其特征在于，wasserstein变分自编码器的损失函数分为两部分：重构损失和正则子，其中重构损失采用均方误差损失，表达式为，x为服役参数，为编码器输出参数，n是编码器输出个数，正则子采用最大平均差异，表达式为：

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片温度场和应力场降阶模型构建方法，其特征在于，所述流固传热仿真模型包括涡轮流道、涡轮叶片模型，边界条件包括主流和叶片冷却通道进口总温总压、涡轮流道出口静压，所述静力学仿真模型包括涡轮叶片模型，载荷为传热模型计算的温度场热、应力以及转速。

技术总结本发明提出了一种涡轮叶片温度场和应力场降阶模型构建方法，包括：获取服役过程中涡轮叶片的流固传热仿真和静力学仿真所需的边界条件参数变化历程；采用基于动量的随机梯度下降优化算法训练Wasserstein变分自编码器；建立涡轮叶片的流固传热仿真模型、涡轮叶片静力学仿真模型；采用本征正交分解理论构建温度场样本集和应力场样本集的流场降阶模型，获取流场降阶模型的解空间基函数；采用径向基函数方法建立代理模型；服役过程中，以实际变化的参数作为代理模型输入，以获取降阶基函数系数，通过本征正交分解对基函数进行线性叠加，得到涡轮叶片温度场、应力场降阶模型。根据本发明技术方案，降低了降阶模型的离线构建成本。技术研发人员：王荣桥,赵炎,陈若琦,沈天宝,胡殿印,王学民,何云,王梅受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4