一種發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計方法技術

本發明專利技術公開了一種發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計方法，該方法包括以下步驟：建立發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型；采用拉丁超立方采樣法對設計變量和不確定參數進行采樣，通過協同仿真技術獲取樣本點，建立預測目標和約束函數中定子端固定結構各動態特性指標值的Kriging模型；利用基于區間角重合度系數和整體性能穩健均衡指數的雙層嵌套遺傳算法進行迭代尋優，求得定子端固定結構動態特性的最優設計方案。本發明專利技術引入區間角重合度系數，可根據不同工況下定子端固定結構需滿足的穩健性要求，靈活便捷地獲得使各動態特性指標穩健均衡的發電機定子端固定結構設計方案。

A robust equalization design method for the dynamic characteristics of fixed structure of generator stator end

【技術實現步驟摘要】
一種發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計方法
本專利技術屬于機械結構設計領域，尤其涉及一種發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計方法。
技術介紹
在汽輪發電機工作過程中，當發電機定子端固定結構的固有頻率接近電磁力激振頻率或激振頻率的倍數時，會導致定子端固定結構出現共振或高頻諧振。汽輪發電機運行過程中不可避免地會發生各種短路、重合閘等故障運行工況。在故障工況下，發電機定子繞組的最大電流將達正常運行時的數倍甚至10倍以上，而定子端部繞組及其固定結構在電磁力作用下的振幅與電流的平方成正比，因此，在故障工況下，定子端固定結構所承受的電磁力及其引起的振動將顯著增大，產生嚴重危害。因此，發電機定子端固定結構設計中需充分考慮其動態特性指標，使其低階固有頻率避開電磁力激振頻率或其倍數，以防止出現共振和高頻諧振，保證發電機安全可靠運行。由于汽輪發電機工作過程中需避開的激振頻率不止一個，且當某階固有頻率遠離激振頻率時，其相鄰階固有頻率往往會靠近激振頻率，因此，定子端固定結構動態特性優化設計需綜合考慮其各階固有頻率的整體分布情況，使其各階固有頻率偏離激振頻率的程度達到均衡，即實現各階固有頻率的穩健性均衡設計。另一方面，由于熱處理和機械加工誤差，汽輪發電機定子端固定結構的材料屬性存在不確定性，這些不確定性會導致其動態特性指標產生一定的波動。因此，發電機定子端固定結構動態特性設計中必須充分考慮這些客觀存在的不確定性。由于這些不確定性因素的樣本稀少，故采用區間數來描述不確定性。在區間不確定性的影響下，汽輪發電機各階固有頻率也為區間數。為此，本專利技術提出了一種基于區間的汽輪發電機定子端固定結構動態特性穩健均衡設計方法，利用基于區間角重合度系數和整體性能穩健均衡指數的雙層嵌套遺傳算法進行迭代尋優，獲得了材料不確定性影響下具有良好抗振性能的發電機定子端固定結構設計方案。
技術實現思路
為解決實際工程中汽輪發電機定子端固定結構的抗振設計問題，本專利技術提供了一種發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計方法，采用區間變量描述影響發電機定子端固定結構動態特性的不確定性因素，建立發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型；采用拉丁超立方采樣法對設計變量和不確定參數進行采樣，通過協同仿真技術獲取樣本點，建立預測目標和約束函數中定子端固定結構各動態特性指標值的Kriging模型；利用基于區間角重合度系數和整體性能穩健均衡指數的雙層嵌套遺傳算法進行迭代尋優，求得定子端固定結構動態特性的最優設計方案。本專利技術是通過以下技術方案實現的：一種發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計方法，包括以下步驟：1)建立發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型：將定子端固定結構截面的關鍵尺寸作為設計變量，考慮定子端固定結構材料彈性模量和密度的不確定性，并將不確定性描述為區間變量；分析初始設計方案各階固有頻率中最接近激振頻率的固有頻率具體階數，同時考慮這些固有頻率在不確定性影響下變化區間的中點和寬度，以使其盡可能遠離激振頻率且在不確定性影響下的波動小為目標，建立目標函數的表達式；根據定子端固定結構動態特性設計的其它要求建立約束函數的表達式，進而建立發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型：其中,imin(t)＝miin{ft-fi(x0)}(i＝1,2,3,…)fiC(x)＝(fiL(x)+fiR(x))/2；fiW(x)＝fiL(x)-fiR(x)；s.t.其中，x＝(x1,x2,…,xn)；U＝(U1,U2,…,Um).其中，x為n維設計向量，U為m維區間不確定參數向量，Ft(x)表示第t個目標性能指標，NO為目標函數的個數；x0為初始設計向量，ft為第t個需避開的激振頻率，imin(t)為初始設計方案各階固有頻率中最靠近第t個激振頻率ft的固有頻率階數，fi(x0)為未考慮不確定性時初始設計方案的第i階固有頻率，為發電機定子端固定結構各階固有頻率中最接近ft的那階固有頻率在不確定性參數向量U影響下變化區間的中點，為發電機定子端固定結構各階固有頻率中最接近ft的那階固有頻率在不確定性參數向量U影響下變化區間的寬度；fi(x,U)表示定子端固定結構的第i階固有頻率；fiL(x)、fiR(x)、fiC(x)和fiW(x)為第i階固有頻率變化區間的下界、上界、中點和寬度；Gj(x)為第j個約束函數中定子端固定結構的動態特性指標值，NG為約束函數的個數，和分別為其變化區間的下界與上界，Bj為第j個約束函數中給定的區間常數，其區間寬度為和為Bj的下界和上界，gj(x,U)為第j個約束函數中設計向量x在不確定參數向量U影響下的變化區間；2)采用拉丁超立方采樣法(LHS)對發電機定子端固定結構的設計變量和不確定參數進行采樣，通過協同仿真技術獲取各樣本點的響應值，建立預測目標函數和約束函數中定子端固定結構各動態特性指標值的Kriging模型；3)利用雙層嵌套遺傳算法求解發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型，獲得使定子端固定結構動態特性整體穩健性最均衡的設計向量；具體包括以下子步驟：3.1)雙層嵌套遺傳算法初始化設置，生成初始種群；3.2)在遺傳算法內層，利用步驟2)建立的Kriging模型計算得到當前種群個體的目標和約束函數中各動態特性指標變化區間的上下界fiR(x)、fiL(x)、并計算約束性能指標Gj(x)的區間角上下界αjR(x)、αjL(x)、區間角寬度αjW(x)以及給定常數Bj的區間角上下界和寬度αjW(x)＝αjR(x)-αjL(x)βjR＝π/2βjW＝βjR-βjL其中，hj為表征約束穩健性要求嚴苛程度的敏感度因子，根據不同工況下定子端固定結構需滿足的穩健性要求進行賦值；3.3)在遺傳算法外層，基于各約束性能指標的區間角重合度系數計算結果，將當前種群個體的設計向量區分為可行設計向量和不可行設計向量，具體步驟如下：3.3.1)計算當前種群個體αjR(x)與的區間角重合度系數ocbajRL(x)，αjL(x)與的區間角重合度系數ocbajLL(x)，αjR(x)與βjR的區間角重合度系數ocbajRR(x)，αjL(x)與βjR的區間角重合度系數ocbajLR(x)：3.3.2)根據區間角重合度系數ocbajRL(x)(j＝1,2,…,NG)的值對當前種群個體所對應的設計向量進行分類：若某個體的所有約束函數均滿足0≤ocbajRL(x)＜1(j＝1,2,…,NG)，則該個體對應的設計向量x為可行解；若對某個體而言，存在某區間約束的區間角重合度系數ocbajRL(x)＝1(j∈{1,2,…,NG})，則該個體對應的設計向量x為不可行解，且可由區間角重合度系數計算其區間約束總違反度V(x)：3.4)根據整體性能穩健均衡指數和區間約束總違反度對當代種群的所有個體進行本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計方法，其特征在于，包括：/n1)建立發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型：將定子端固定結構截面的關鍵尺寸作為設計變量，考慮定子端固定結構材料彈性模量和密度的不確定性，并將不確定性描述為區間變量；分析初始設計方案各階固有頻率中最接近激振頻率的固有頻率具體階數，同時考慮這些固有頻率在不確定性影響下變化區間的中點和寬度，以使其盡可能遠離激振頻率且在不確定性影響下的波動小為目標，建立目標函數的表達式；根據定子端固定結構動態特性設計的其它要求建立約束函數的表達式，進而建立發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型：/n

【技術特征摘要】
1.一種發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計方法，其特征在于，包括：
1)建立發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型：將定子端固定結構截面的關鍵尺寸作為設計變量，考慮定子端固定結構材料彈性模量和密度的不確定性，并將不確定性描述為區間變量；分析初始設計方案各階固有頻率中最接近激振頻率的固有頻率具體階數，同時考慮這些固有頻率在不確定性影響下變化區間的中點和寬度，以使其盡可能遠離激振頻率且在不確定性影響下的波動小為目標，建立目標函數的表達式；根據定子端固定結構動態特性設計的其它要求建立約束函數的表達式，進而建立發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型：



其中,
fiC(x)＝(fiL(x)+fiR(x))/2；
fiW(x)＝fiL(x)-fiR(x)；






s.t.



其中，
x＝(x1,x2,…,xn)；
U＝(U1,U2,…,Um).
其中，x為n維設計向量，U為m維區間不確定參數向量，Ft(x)表示第t個目標性能指標，NO為目標函數的個數；x0為初始設計向量，ft為第t個需避開的激振頻率，imin(t)為初始設計方案各階固有頻率中最靠近第t個激振頻率ft的固有頻率階數，fi(x0)為未考慮不確定性時初始設計方案的第i階固有頻率，為發電機定子端固定結構各階固有頻率中最接近ft的那階固有頻率在不確定性參數向量U影響下變化區間的中點，為發電機定子端固定結構各階固有頻率中最接近ft的那階固有頻率在不確定性參數向量U影響下變化區間的寬度；fi(x,U)表示定子端固定結構的第i階固有頻率；fiL(x)、fiR(x)、fiC(x)和fiW(x)為第i階固有頻率變化區間的下界、上界、中點和寬度；Gj(x)為第j個約束函數中定子端固定結構的動態特性指標值，NG為約束函數的個數，和分別為其變化區間的下界與上界，Bj為第j個約束函數中給定的區間常數，其區間寬度為和為Bj的下界和上界，gj(x,U)為第j個約束函數中設計向量x在不確定參數向量U影響下的變化區間；
2)采用拉丁超立方采樣法(LHS)對發電機定子端固定結構的設計變量和不確定參數進行采樣，通過協同仿真技術獲取各樣本點的響應值，建立預測目標函數和約束函數中定子端固定結構各動態特性指標值的Kriging模型；
3)利用雙層嵌套遺傳算法求解發電機定子端固定結構動態特性的穩健均衡設計模型，獲得使定子端固定結構動態特性整體穩健性最均衡的設計向量；具體包括以下子步驟：
3.1)雙層嵌套遺傳算法初始化設置，生成初始種群；
3.2)在遺傳算法內層，利用步驟2)建立的Kriging模型計算得到當前種群個體的目標和約束函數中各動態特性指標變化區間的上下界fiR(x)、fiL(x)、并計算約束性能指標Gj(x)的區間角上下界αjR(x)、αjL(x)、區間角寬度αjW(x)以及給定常數Bj的區間角上下界和寬度






αjW(x)＝αjR(x)-αjL(x)
βjR＝π/2



βjW＝βjR-βjL
其中，hj為表征約束穩健性要求嚴苛程度的敏感度因子，根據不同工況下定子端固定結構需滿足的穩健性要求進行賦值；
3.3)在遺傳算法外層，基于各約束性能指標的區間角重合度系數計算結果，將當前種群個體的設計向量區分為可行設計向量和不可行設計向量，具體步驟如下：
3.3.1)計算當前種群個體αjR(x)與的區間角重合度系數ocbajRL(x)，αjL(x)與的區間角重合度系數ocbajLL(x)，αjR(x)與βjR...

【專利技術屬性】
技術研發人員：程錦，王榮，錢煬明，胡偉飛，劉振宇，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33