【技术实现步骤摘要】
基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法
本专利技术属于计算机辅助工程中的机械优化设计领域,具体涉及一种基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法。
技术介绍
结构优化一般是针对符合某些控制方程或规律的问题,通过控制其中一些可变的设计参数,求出满足全部约束条件并使目标函数达到最优解的设计方法。在优化中,用来衡量设计过程中所要描述的结构特征的量叫做设计变量,需要满足的性能方程或几何范围作为约束条件,用来衡量最佳状态的性能函数被称为目标函数。在实际工程中,结构优化一般包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化和形貌优化。其中,拓扑优化是结构优化设计领域的一个热点研究方向。以材料分布为优化对象,通过拓扑优化,可以在设计空间中找到最佳的材料分布方案,克服了过去仅依靠工程实践经验进行相关结构设计的缺点。发动机进气歧管是发动机进气系统最关键的零部件之一,其作用是将新鲜的空气或油气混合气分配到各个气缸。进气歧管性能的好坏直接影响发动机进气量的大小,并且将直接影响发动机缸内气体的流动混合与燃烧反应过程,而发动机进气歧管的尺寸、形状和布置等对进气阻力、进气均匀性以及充气效率影响非常大,进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性。在现代发动机的研发中,给各气缸提供足够均匀的新鲜空气或油气混合气对发动机的性能指标有着重要的影响,因此,发动机进气歧管结构的优化设计就显得非常重要。目前,在传统的发动机进气歧管设计过程中,考虑到进气歧管域进气道的复杂性,设计者一般采用稳流实验来评价进气歧管的性能,然后通过经验对其进行结构优化。但是这种方法对设计者来说,需要积累很多的经验,而且设计周期长、成本高,并 ...
【技术保护点】
基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法,其特征在于包括以下步骤:(1)根据流体拓扑优化的目的和要求,建立发动机进气歧管流体拓扑优化的设计域几何模型,确定发动机进气歧管流体拓扑优化的流体设计域,并输入介质密度、动力粘度等流体属性;(2)确定全局变量,输入达西数Da、进口特征长度l、体积分数θ,最大流入速度umax、设计域体积、雷诺数Re、以及RAMP(Rational Approximation of Material Properties——RAMP)材料插值函数的参数q;(3)设定局部变量,输入介质的局部渗透率倒数αmax和α;(4)根据最小能耗的目标,选择合适的设计变量和性能约束条件,计算基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法的目标函数Φ(u,p,γ),从而建立发动机进气歧管流体拓扑优化的数学模型:
【技术特征摘要】
1.基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法,其特征在于包括以下步骤:(1)根据流体拓扑优化的目的和要求,建立发动机进气歧管流体拓扑优化的设计域几何模型,确定发动机进气歧管流体拓扑优化的流体设计域,并输入介质密度、动力粘度等流体属性;(2)确定全局变量,输入达西数Da、进口特征长度l、体积分数θ,最大流入速度umax、设计域体积、雷诺数Re、以及RAMP(RationalApproximationofMaterialProperties——RAMP)材料插值函数的参数q;(3)设定局部变量,输入介质的局部渗透率倒数αmax和α;(4)根据最小能耗的目标,选择合适的设计变量和性能约束条件,计算基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法的目标函数Φ(u,p,γ),从而建立发动机进气歧管流体拓扑优化的数学模型:minΦ(u,p,γ)s.t.ρ(u·▽)u-η▽·(▽u+▽uT)+▽p-f=0,inΩ-▽·u=0,inΩu=uD,onΓD[-pI+η(▽u+▽uT)]n=g,onΓN∫ΩγdΩ-θ·V0≤00≤γ≤1式中,ρ是流体密度,η是动力粘度,f为流体体力,p为压强,u为流体的流动速度,V0为设计域的初始体积,0<θ≤1为流体区域的体积分数,代表发动机进气歧管流道区域的体积占设计区域体积的百分数;(5)给出初始相对密度,设定设计域的约束条件、体积力,输入积分目标表达式,添加设计域边界条件;(5.1)利用有限元法离散化上述流体拓扑优化数学模型,并编写与算法匹配的发动机进气歧管流体拓扑优化的MATLAB程序;(5.2)编写目标函数、约束条件、边界条件和体积力的MATLAB程序;(5.3)在MATLAB程序里设置设计变量的上下限,并给定初始相对密度;(6)对设计域和非设计域分块划分不同密度的四边形网格,设定发动机进气歧管流体拓扑优化的迭代终止条件;(7)根据移动渐进线法(MethodofMovingAsymptotes——MMA)更新设计变量:根据MMA法更新有限元单元的相对密度并求更新后的设计域的总体积,由更新前后的相对容差来判断新的插值单元是否迭代终止,若不终止则采用更新后的单元相对密度并依据MMA法继续迭代,若迭代终止则停止计算并输出单元相对密度;(8)计算(7)中输入输出时各对应单元的相对密度差并求最大的相对密度改变值,将最大改变值...
【专利技术属性】
技术研发人员:张建平,胡胜,王志奇,王树森,申欣,李云迪,
申请(专利权)人:湘潭大学,
类型:发明
国别省市:湖南,43
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