[0001] 本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种航空发动机外部分支管路布局优化方法。

[0002] 目前而言管路布局优化设计已取得了一定的研究成果，研究的趋势越来越成熟，从单管敷设到多管敷设，从单目标工程约束到多目标工程约束同时考虑，而对分支管路的研究起步较晚并且研究相对较少，关于分支管路敷设问题以往的研究主要集中在管路自动敷设和利用斯坦纳点来确定分支点这两个方面，鲜有结合考虑“T”型三通结构附件约束来进行分支管路自动布局设计。

[0003] 管路布局优化问题本质上是研究在相应的敷设空间中从路径起点到终点位置满足一定的工程约束和敷设目标的管路路径节点。航空发动机分支管路敷设属于典型的NP难问题，在分支管路敷设中需要考虑众多的实际工程规则，以前大部分管路敷设都是依靠富有经验的专家或工程师，需要多次修改才能设计出较为理想的结果，设计过程复杂且消耗大量的人力、财力成本且设计效率极为低下。随着科技的发展国内外研究学者对此也做了一系列的研究工作，但是目前仍然没有形成一套完整的关于分支管路自动布局的人机系统。

[0004] 在复杂装备中，如航空发动机通常包含大量的管路和线缆，管路敷设需求纷杂且难以满足全部需求，其中分支管路在航空发动机中占比最高且也是极其复杂的，在该类管路敷设过程中必须考虑到每一物体对管路敷设的影响，例如电气区域、高温区域、维修区域等，还需考虑敷设空间限制以及装配、振动和维护等一系列工程规则，管路布局不仅要考虑单根管路的布局，还要考虑管路整体布局的可行性和最优性，为此，提出一种航空发动机外部分支管路布局优化方法。

[0046] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

[0047] 参照图1‑10所示，一种航空发动机外部分支管路布局优化方法，包括以下步骤：

[0048] S1、通过SiemensNX建模获得仿真发动机CAD敷设模型，并对仿真发动机CAD敷设模型进行几何信息提取；

[0049] S2、采用分支管路敷设序列决策算法确定分支管路的敷设顺序；

[0050] S3、采用改进的蚁狮算法对分支管路敷设顺序中三通结构附件中心点进行编码设计，并验算是否满足工程约束，输出获得分支管路的“T”型三通结构附件中心点坐标；

[0051] S4、遍历航空发动机机匣表面所有分支管路的端点坐标得到分支管路，将结果保存至TXT文档；

[0052] S5、应用SiemensNX调用TXT文档进行可视化操作，获得敷设仿真图。

[0053] 所述步骤S2中，分支管路敷设序列决策算法步骤如下：

[0054] (1)将航空发动机机匣表面分支管路端点映射到二维平面，得到平面坐标M＝{x1,y1,x2,y2,...,xn,yn}构成集合P；

[0055] (2)优先考虑两端点距离最优作为优先规划分支管路端点序列；

[0056] (3)选出初始点到其邻点作为管路的始末点S和T的坐标信息，进行管路敷设；

[0057] (4)运用穷举法计算其他剩余未被敷设的端点构成集合P'到三通结构附件的可布区域最优距离来确定三通结构附件中心点(即为分支管路的分支点)坐标信息O＝{ai,bi}；

[0058] (5)将三通结构附件中心点作为起始点优先将两端点距离最优作为分支管路敷设的序列规划，选出三通结构附件中心点到其邻点并顺次进行管路敷设；

[0059] (6)重复上述步骤(4)‑(5),依次遍历航空发动机机匣表面所有分支管路的端点坐标，即产生(n‑1)条边并进行管路敷设。

[0060] (7)验证敷设顺序是否满足已布管路未与未布管路发生干涉，否则返回步骤(2)重新调整或将两端点距离次优作为敷设目标,直到得出符合布局约束的解。

[0061] 所述步骤S3中，改进的蚁狮算法由原蚁狮算法通过融入Tent映射、自适应边界、高斯变异和黄金正弦算法，分别从种群初始化、蚂蚁随机游走、蚂蚁位置更新及精英蚁狮四个方面进行改进。

[0062] 利用Tent混沌映射分布均匀、不确定性和遍历性等特点保留了种群产生的多样性，从而提高算法的收敛速度和全局寻优的能力。

[0063] 将蚂蚁随机游走种引入自适应边界策略，蚂蚁随机游走的陷阱减少，有利于算法找到全局最优解。

[0064] 利用高斯变异对蚂蚁位置更新有效改善了在算法迭代过程中仍然存在较差的个体，使得蚂蚁能够进行混沌搜索，提高整体的寻优效率和鲁棒性。

[0065] 在精英蚁狮的位置更新处引入黄金正弦算法，在确定其位置时由于黄金正弦算法可以遍历正弦函数上所有值，使得寻优更加全面同时不断缩小搜索空间，快速引导蚁狮个体趋近最优值，从而提高了算法的收敛速度和精度。

[0066] 所述步骤S3中，编码设计方式为定长编码，通过对管路路径节点的编码形式，间接对三通结构附件左右两端抻出长度和管接口抻出段长度的编码来计算出管路的节点坐标，分支管路具体编码方式的数学描述为：

[0067] La＝(LS,L1,L2,LT,θ)

[0068] 式中，LS代表起点抻出的长度，LT代表终点抻出的长度，L1代表三通节点左端点抻出的长度，L2代表三通节点右端点抻出的长度，θ代表三通节点的旋转角度。

[0069] 所述步骤S3中，工程约束条件如下：

[0070] a、管道总长度，管的总长度减少以节约敷设空间和降低材料成本，设L为管路路径总长度，m代表管路路径节点的个数，设点(xi,yi)为各路径节点坐标，i＝1,2...n为路径的节点数量，求L最小值：

[0071]

[0072] b、避障，管路系统敷设必须避开障碍区域，OG代表障碍物，

[0073]

[0074] 式中O1代表高温区域、O2代表设备维修区域、O3电气区域、On代表其他区域，同时管路敷设中不与其他管路发生干涉关系；

[0075] c、管路走向，分支管路走向呈现“米”字型，且弯曲角度不得小于90°；

[0076] d、管路可靠性，管路敷设应贴近航空发动机机匣表面，以便安装和获得较好的振动性。

[0077] 所述步骤S3中，将管路的不可布置区域及弯折处需预留出一段空隙设置为障碍，其余管路则为三通结构附件的可布置区域，在三通结构附件可布置区域中选择一些离散均匀分布的点N＝{m1,m2,...,mn}，n＝10，并运用穷举法逐次判断出一条相对较优的路径来确定三通结构附件的中心点坐标(即为分支点)进行管路敷设。

[0078] 所述步骤S4中，将分支管路的三维坐标信息提取，再将敷设管路路径上的拐点进行倒圆处理，即平滑度处理，以提高分支管路整体的平滑与美观。

[0079] 实施例

[0080] 根据本文研究的方法及算法，对航空发动机分支管路布局优化进行仿真实验设计，计算机硬件运行环境为：处理器为Intel(R)Core(TM)i5‑7200UCPU@2.50GHz，内存2.70G，算法编程环境为MATLAB R2018b和仿真环境为Siemens NX 11.0，先通过MATLAB将算法计算出来的结果保存到TXT文档中，然后应用Siemens NX中的Grip二次开发语言调用TXT进行可视化，其中改进的蚁狮算法种群大小为100，迭代次数为100，简化的航空发动机模型CAD中已知分支管路端点位置数目为6，障碍物数目为9，应用所提出的分支管路自动敷设优化方法完成管路敷设，由于蚁狮算法存在随机性，通过8次测试选择出具有代表性的结果，敷设仿真图如图5‑10所示。

[0081] 由分支管路布局算例可视化图知，管路敷设方案共计运用到4个“T”型三通结构附件，成功躲避了障碍物且基本满足上述所提的工程规则约束，管路总体走向呈现“米”字型等约束要求，获得了较为规整美观且符合工程美学要求的敷设方案，验证了所提方法的合理性与可行性。

[0082] 由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。