基于自由曲面变形方法的离心泵叶片载荷优化

针对传统离心泵叶片反问题及其优化难以进行,提出了基于载荷驱动的离心泵叶片自由曲面变形反问题方法,构建了更为稳定有效的晶格变形函数。根据离心泵叶片载荷分布特征采用多段样条曲线对离心泵叶片的载荷进行参数化控制,在控制变量空间进行试验设计,采用响应面方法对叶片载荷分布规律进行优化研究,得到了离心泵叶片载荷分布规律与对应的叶片形状及叶片水力性能间的关系,得到了低比转速离心泵叶片理想的载荷分布规律。算例优化结果表明:提出的离心泵叶轮叶片载荷优化理论及方法是可行的。     

基于自由曲面变形方法的离心泵叶片反问题方法研究

提出了一种基于自由曲面变形(FFD)方法的离心泵叶片反问题新方法。采用自由曲面变形方法对叶轮叶片形状进行控制,将叶片空间曲面嵌入到一个均匀剖分的三参数张量积控制体内,移动控制晶格点位置使控制体发生变形,控制体内的叶片曲面形状随之改变。根据给定的叶片目标载荷分布进行叶片形状的控制,构建控制晶格点的变形函数,根据叶轮内三维湍流数值模拟结果与期望的叶片载荷分布规律控制晶格点的变形,实现了由物理参数对叶片形状的直接控制。算例计算结果表明,所提出的基于FFD方法的离心泵叶片反问题方法是可行的。     

基于本征正交分解法的液环泵气液两相流场重构

针对液环泵内复杂的气液两相流动、计算量大且优化设计难以进行的问题,提出了采用本征正交分解法进行液环泵内流场的重构分析。采用泰勒多项式对二维叶片型线进行参数化控制,通过对各控制参数进行适量的扰动得到叶片型线样本集。采用VOF模型进行液环泵内气液两相流场的数值模拟,由叶片型线参数及叶轮内流场数据构建样本的快照集,依照几何相似及网格变形方法插值得到各相似点的流场参数,依据本征正交分解(POD)法将快照集分解为正交基的线性组合。由最小二乘法拟合目标叶型所对应的正交基系数,实现了对目标叶片流场的重构。采用POD方法对2BE-203型液环泵内单个叶轮流道的气液两相流流场进行了重构,精确地重构了单个叶轮内流场结构的各个特征,除在气液交界面附近有一定的误差,整体预测结果具有较高的精度,大大减少了流场预估的计算量。     

自由曲面喷漆机器人喷枪轨迹优化

根据实验数据确定平面上的涂层累积速率二次函数后,建立了自由曲面上的漆膜厚度数学模型.在此基础上生成喷漆机器人喷枪空间路径,得出喷枪轨迹优化设计是带约束条件的多目标优化问题,并选取时间最小和漆膜厚度方差最小作为目标函数,应用带权无穷范数理想点法进行求解.最后通过计算机仿真的结果,论证了数学模型和优化算法的可行性.     

基于响应曲面分析的卷盘式喷灌机行星齿轮减速箱壳体结构优化

为了解决采用传统方法对电驱动卷盘式喷灌机行星齿轮减速箱壳体壁厚设计不合理以及实体试验成本高的问题,对壳体几何建模及静力分析,发现传统设计壳体最大形变量为0.045 738 mm,对壳体影响较小;而最大应力为2.581 4 MPa,位于第三级行星齿轮的箱壁处,且壳体应力分布明显不均匀。采用SolidWorks对减速箱壳体进行参数化建模,选取壳体结构的4个关键尺寸参数作为设计变量,基于响应曲面方法,对数据拟合度、设计变量和目标参数灵敏度、目标参数间的关系以及设计变量对目标参数的响应线和响应面进行了分析,得到壳体中部壁厚对壳体质量影响最大,机体后端壁厚对最大形变量及最大应力影响最大,经过优化,壳体的质量从138.4 kg下降到127.6 kg,减轻了7.8%,最大变形量减少11.5%,箱体所受最大应力减少19.9%。为减速箱后续研制提供了有力的参考依据,降低了开发成本。     

液环泵内部气液两相流动及其性能分析

为改善液环泵水力性能,采用VOF气液两相流动模型对液环真空泵内部三维非稳态气液两相流动进行数值模拟。通过数值模拟分析叶轮及泵腔内的流线分布、速度分布、相态分布及压力分布规律,对泵内复杂的二次流进行了分析,对液环真空泵工作过程中泵内气液两相流的自由分界面进行追踪,并分析了泵内气液两相流自由分界面的变化规律及其与泵外特性的关系。对液环泵进行试验研究,模拟结果与试验结果进行对比分析表明,数值方法结果与试验结果基本一致,能够较准确地描述液环泵内气液两相流流动规律,捕捉气液分界面,预估液环泵的水力性能,为液环泵的性能优化研究提供了依据。     

基于CATIA V5自由曲面的车身建模

随着生活水平的提高和汽车技术的发展,对车身美学、汽车性能、空气动力学、光顺性、精确性和曲面连续性要求都非常苛刻,这就需要高质量的车身曲面才能实现。基于此,采用CATIA V5自由曲面功能,利用CATIA的3D曲线功能绘制空间曲线,以此为基础绘制车身曲面,对曲面进行汽车A级曲面检查并修改模型,快速完成高质量的车身造型。     

液环泵叶片轴向叶顶凹槽间隙流场及其性能

为改善液环泵轴向叶顶间隙泄漏流场结构,提升液环泵水力性能,提出液环泵叶片轴向叶顶凹槽结构设计,以2BEA-203型液环泵为研究对象,采用数值模拟方法分析液环泵叶轮轴向间隙泄漏流动及其与主流的相互干扰作用,对比分析凹槽叶顶与平顶间隙泄漏流动及其性能.分析结果表明,液环泵内流动呈现复杂的三维结构,凹槽型叶顶间隙能够在一定范...     

基于Ansys workbench的联轴器膜片响应曲面优化

利用Ansys workbench平台建立数学模型,对联轴器膜片进行网格划分,并分析其最大等效应力和最大总变形的分布位置及大小,再根据其结构设置结构尺寸的变化范围,计算出有效区间的设计点,最终获得最优设计点,完成膜片的响应曲面优化。结果表明,最大等效应力减小20.3%,最大总变形减小24.7%。可见响应曲面优化后,可以提高膜片联轴器的结构强度,减小膜片联轴器工作中疲劳失效的几率。     

拖拉机发动机气道自由曲面的反求技术

介绍了反求技术中几种常用数据采集方法的特点及其应用范围;针对自由曲面技术和曲线拟合算法,提出了自由曲面的重构方法;通过对拖拉机发动机气道的自由曲面的反求,重构出了该零件的整个曲面。     

基于离散元法的锄板入土作业参数优化分析

针对茎秆农作物根系残留田间影响土质的问题,以根系掘除设备的锄板为研究对象,利用JKR接触模型来描述土壤颗粒间相互接触时的运动情况。基于离散元法,采用EDEM软件分析锄板入土过程中不同速度(整机前进速度)、转动角速度(锄板绕转动点旋转的平均角速度)和离地高度(刀尖距地面的距离)对所受合力的影响,并利用仿真得到锄板从初始位置转到指定角度过程中的最大合力值。基于Box Behnken Design响应面分析法建立三元二次线性数学模型,由方差分析结果得到该数学模型极为显著(P<0.01),说明所建数学模型的合理性和正确性。由数学模型确定前进速度0.41 m/s,转动角速度40°/s,离地高度115 mm时,锄板所受最大合力可达到其最小值为563.36 N。在烟草种植试验地进行田间实测试验,结果表明,仿真数据数值与田间试验数值相对误差为5.1%,验证模拟的根土复合体土壤模型基本符合土壤力学特性,能真实模拟该试验地土壤属性。研究表明采用离散元法分析锄板入土作业所受合力的可行性,可进一步为锄板的优化设计提供参考。     

Robust optimization design on impeller of mixed-flow pump

To increase the robustness of the optimization solutions of the mixed-flow pump,the impeller was firstly indirectly parameterized based on the 2 D blade design theory. Secondly,the robustness of the optimization solution was mathematically defined,and then calculated by Monte Carlo sampling method. Thirdly,the optimization on the mixed-flow pump' s impeller was decomposed into the optimal and robust sub-optimization problems,to maximize the pump head and efficiency and minimize the fluctuation degree of them under varying working conditions at the same time. Fourthly,using response surface model,a surrogate model was established between the optimization objectives and control variables of the shape of the impeller. Finally,based on a multi-objective genetic optimization algorithm,a two-loop iterative optimization process was designed to find the optimal solution with good robustness. Comparing the original and optimized pump,it is found that the internal flow field of the optimized pump has been improved under various operating conditions,the hydraulic performance has been improved consequently,and the range of high efficient zone has also been widened. Besides,with the changing of working conditions,the change trend of the hydraulic performance of the optimized pump becomes gentler,the flow field distribution is more uniform,and the influence degree of the variation of working conditions decreases,and the operating stability of the pump is improved. It is concluded that the robust optimization method proposed in this paper is a reasonable way to optimize the mixed-flow pump,and provides references for optimization problems of other fluid machinery.     

基于遗传算法的轴流泵优化设计

针对轴流泵进行水力性能设计和优化,在满足设计要求的基础上,实现泵机组水力性能的提升.在优化过程中,控制叶片安放角为优化参数,采用遗传算法及二进制编码对轴流泵进行优化.在遗传操作过程中,以水力效率为优化目标函数,借助计算流体动力学对目标函数进行求解.根据验证结果可见,优化之后,轴流泵的水力性能得到提高并达到设计要求工况,其水力效率从81.68%提高到86.19%,扬程从3.73 m提高到4.56 m.通过流动分析得出,优化之后,由于叶片吸力面与压力面之间的压力差增大,水泵扬程得以提升.根据对水力损失的分析得出,由于泵内水力损失的减小,水泵的效率明显提高.同时,最优效率点移动到设计工况,高效区明显扩大.所采用的数学优化方法能够快速有效的对轴流泵进行优化设计,在原有设计方案的基础上,可有效地进行水力性能的提升.     

基于正交试验的高扬程混流泵优化设计

为了提高高扬程导叶式混流泵的扬程和效率,选择叶轮叶片进、出口安放角、包角和叶轮外径等4个因素,每个因素取4个水平,利用正交设计软件SPSS进行正交试验方案的设计,应用CFD软件ANSYS CFX对设计的16副叶轮进行三维数值模拟,利用极差分析的方法分析得到各因素对扬程和效率的影响程度,进而得到最优组合方案,最后对比分析原始模型与优化模型的内部流动情况,验证优选方案的可行性.结果表明:叶轮叶片出口安放角对扬程影响程度最大,叶片包角对效率影响程度最大.在设计流量下,兼顾扬程和效率所选出的最优方案扬程和效率均有所提高,泵段内水流流态较好,压力分布均匀,达到优化设计的目的.因此,基于正交试验的高扬程混流泵优化可行,优化方案的参数搭配能够有效地减小高扬程混流泵的水力损失,提高其水力性能,并改善其内部流动.     

离心泵蜗壳拓扑优化设计方法研究

为了提高离心泵的水力性能,采用拓扑优化方法对离心泵蜗壳进行拓扑优化设计,建立了优化数学模型,优化目标函数为最小化流体的总压损失,约束条件为流体域的体积约束.基于OpenFOAM,编制了优化问题分析和求解程序,通过连续伴随法求得目标函数对设计变量的灵敏度,采用移动渐近线法(MMA)求解优化问题.二维蜗壳优化结果表明,提出的蜗壳拓扑优化方法能够获得蜗壳优化设计方案,得出的蜗壳结构与用传统设计方法设计出的蜗壳结构十分接近,且拓扑优化方法下的蜗壳流场内总压损失更小,特别是在传统蜗壳设计方法不适用的情况下,该方法能够自动获得蜗壳构型.研究结果对于拓展离心泵优化设计方案具有一定的借鉴价值.     

基于正交试验及CFD的消防泵叶轮优化设计

针对大流量消防泵在使用过程中效率偏低的问题,根据L₁₈(3⁷)正交表,选取Z,β2,φ,d1,b2等7个因素,每个因素取3个水平,设计出18种叶轮模型方案.同时,采用计算流体动力学软件Fluent对18种方案的消防泵内三维定常流动进行数值计算,并对计算结果进行极差分析,研究几何参数对消防泵性能的影响,得到了消防泵几何参数对各性能指标影响的主次顺序,并确定出最终优化模型.结果表明:随着叶片数和叶片包角的增大,消防泵效率得到显著提高,而效率与叶片进口直径呈负相关,即效率随叶片进口直径的增大而减小.同时,对扬程影响最大的因素为叶片数,扬程随叶片数的增大而显著增大,叶片出口安放角对扬程影响很小.对优选消防泵的性能试验结果表明:优选方案在设计工况点较原模型的效率提高了4.5%,满足设计要求,验证了正交设计方法的可行性.     

基于先进控制流理论的偏置叶片优化方法

针对过去过多地依赖经验确定复合叶轮短叶片偏置位置和角度的弊端,提出了采用先进控制流理论来控制短叶片偏置的优化设计方法.首先根据离心式后向叶轮流道内流体微团的受力情况,建立沿流线法线方向的受力平衡微分方程,再根据相对运动Bernoulli方程,推导出沿流线法线方向压强梯度与速度梯度的关系,进而得出沿流线法向速度梯度与几何结构之间的关系.通过对几个相关式子的分析,可确定周向最佳偏置位置.同时考虑将短叶片进口边适度向吸力面偏斜,以期实现后加载特性.试验结果表明,分析所得结论比较符合试验数据,证明了理论分析的可靠性.     

离心泵叶轮的参数化设计

对离心泵叶轮优化设计存在的问题进行了详细的阐述,离心泵叶轮优化设计的主要困难在于复杂的内流道形状及其与泵水力性能间复杂的隐式关系,对基于NURBS的曲面设计方法、基于自由曲面变形方法及偏微分方程方法 3种离心泵叶轮参数化设计方法的研究进行了详细的介绍.为了减少计算量,采用偏微分方程方法对离心泵叶片几何形状进行参数化控制,参数化控制偏微分方程的边界条件,假定方程中的控制参数a（u,v）为常量1,采用响应面方法对泵叶轮进行优化设计,根据试验及模拟结果进行二阶多项式响应面回归,分析发现二阶多项式响应关系不能反映离心泵叶轮设计目标与控制变量间的复杂的非线性关系.为此,在此基础上提出采用偏微分方程构建设计目标的偏微分超曲面响应,数值求解多维空间上偏微分方程的边值问题,进行优化分析得到最优设计.优化设计实例计算结果表明提出的理论及方法是合理的.     

离心泵叶轮的参数化设计

对离心泵叶轮优化设计存在的问题进行了详细的阐述,离心泵叶轮优化设计的主要困难在于复杂的内流道形状及其与泵水力性能间复杂的隐式关系,对基于NURBS的曲面设计方法、基于自由曲面变形方法及偏微分方程方法3种离心泵叶轮参数化设计方法的研究进行了详细的介绍．为了减少计算量,采用偏微分方程方法对离心泵叶片几何形状进行参数化控制,参数化控制偏微分方程的边界条件,假定方程中的控制参数a(u,v)为常量1,采用响应面方法对泵叶轮进行优化设计,根据试验及模拟结果进行二阶多项式响应面回归,分析发现二阶多项式响应关系不能反映离心泵叶轮设计目标与控制变量间的复杂的非线性关系．为此,在此基础上提出采用偏微分方程构建设计目标的偏微分超曲面响应,数值求解多维空间上偏微分方程的边值问题,进行优化分析得到最优设计．优化设计实例计算结果表明提出的理论及方法是合理的．     

基于伴随方法的离心泵叶轮优化设计

针对水力机械优化设计过程中存在计算量巨大、叶型的控制及修改不便等问题,提出了基于伴随方法的离心泵叶轮优化设计方法。以某低比转数离心泵叶轮为研究对象,采用泰勒展开法进行离心泵叶片形状的参数化控制。将泵内流动控制方程作为优化问题的约束条件,通过引入伴随变量将约束优化问题变为无约束优化问题,推导了目标函数的变分形式、伴随方程及伴随变量在计算域各边界上的边界条件。根据伴随方法计算目标函数对设计变量的梯度矢量,在任意给定的初始直叶片的基础上沿梯度矢量反方向不断更新叶片形状,直至目标函数达到最小值时即为最优设计。由于在目标函数的变分中不包含流场参数的变分,在一次优化迭代中只需要计算流场及伴随变量场各一次,大大减少了叶轮优化过程的计算量。算例计算结果表明所提出的离心泵叶轮伴随优化方法是可行的。