一种基于流场参数化设计的倍捻机结构自动优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于流场参数化设计的倍捻机结构自动优化方法，建立了一套纺纱倍捻机气圈流场的参数化模型，可通过参数化分析，快速模拟倍捻机不同结构参数和工况下的流场情况，并自动计算出阻力和能耗，辅助纺纱倍捻机的结构优化设计，最终实现节能的目的。本发明专利技术研究纺纱作业时空气流场的变化，通过改变倍捻机的结构参数与工况条件，对流场模型进行参数化仿真分析，总结对流场的定量影响规律，完成倍捻机锭子部件的优化设计。本发明专利技术对纺纱倍捻机结构的优化能够进一步的降低设备在工作时的能源消耗，从而实现绿色节能的发展目标。从而实现绿色节能的发展目标。从而实现绿色节能的发展目标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流场参数化设计的倍捻机结构自动优化方法


[0001]本专利技术属于流体仿真与结构优化领域，涉及纺纱倍捻机锭子气圈流场分析及优化，具体涉及一种基于流场参数化设计的倍捻机结构自动优化方法。

技术介绍

[0002]倍捻机，即倍捻捻线机，是一种纺纱加捻装置，用于纺纱作业中将两根或多根纱线捻合成一根股线。国外早在上个世纪四十年代就开始使用倍捻机，而我国在八十年代才开始进口相关倍捻装置，八十年代末才开始申请倍捻机技术相关专利。倍捻机的能耗较大，主要源于两个方面，分别为传动耗能与气圈耗能，其中气圈耗能占70％。倍捻机能耗较大，在于倍捻作业中圆桶与转子之间的风阻较大，而装置内三维流场的变化可以表征出设备在倍捻工作过程中的空气扰动情况，因此研究倍捻装置内三维流场的变化，对分析其内部流场以及结构参数、工作条件对流场的定量影响规律有很大帮助。
[0003]目前在倍捻机能耗的研究上有三种方法：理论研究法、实验测量法、计算流体动力学方法(CFD)。
[0004]理论研究法存在一定的局限性，在研究过程中需要忽略一些因素，因此很难对问题进行完整分析。
[0005]实验测量法可以直接测出流场的某些特征(气压、速度等)，不过由于受模型几何尺寸、流场扰动情况以及测量精度误差等影响，通常较难获得准确的实验结果，且成本高。
[0006]计算流体动力学(CFD)目前已广泛应用于对内部和外部气流以及空气颗粒相互作用的分析研究中，利用CFD方法可对流体流动等实际问题进行仿真分析，并利用图表等形式来描述时间和空间上的流场分布。CFD能克服理论法与实验法的弱点，具有节约成本、节省时间、可视化流程以及相对可靠的预测等优势。当前，对于倍捻机能耗的研究主要采用实验测量法，并也逐步引入CFD方法，但还没有形成系统的可用于倍捻机结构优化的方法。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于流场参数化设计的倍捻机结构自动优化方法，建立了一套纺纱倍捻机气圈流场的参数化模型，可通过参数化分析，快速模拟倍捻机不同结构参数和工况下的流场情况，并自动计算出阻力和能耗，辅助纺纱倍捻机的结构优化设计，最终实现节能的目的。
[0008]技术方案：一种基于流场参数化设计的倍捻机结构自动优化方法，包括如下步骤：
[0009]步骤一、倍捻机模型的建立：首先针对倍捻机的空气流场建立计算流体动力学模型，然后在仿真软件中对所建模型进行数值求解，具体步骤如下：
①
建立倍捻机加捻作业时空气流场的数学模型，根据三大守恒定律，建立连续控制方程，在有限元软件中，根据现有装置，建立所要计算问题简化后的几何模型，确定计算域及初始和边界条件，确定旋转区域的处理方法；
②
数值离散微分方程组的建立与求解，在有限元软件中，对计算域流场的几何模型进行网格划分，从而完成空间区域上连续方程组的离散，并在流体仿真界面完成求解
设计与迭代计算，包括定义模型、设置边界条件及初始化、设定求解参数、定义求解过程监视以及设置迭代步数；
③
显示和输出结果，在流体仿真界面中，完成计算数据的图形化显示和统计处理，并以此分析流体运动与流场变化，具体为通过创建点、线、面、体的位置，完成云图、矢量图、XY曲线图表的绘制；
[0010]步骤二、仿真参数化：通过在有限元软件中相关界面，可以对倍捻机加捻作业时的气流场进行仿真分析，在数值模拟过程中，将关键的仿真特性定义为输入或输出参数，并创建设计点，进行参数的设置与管理；
[0011]步骤三、倍捻机锭子组件参数优化：通过数值模拟得到速度云图、压力云图及相关参数，通过参数的分析对以下参数进行优化：(1)倍捻机高度参数的优化设计；(2)倍捻机直径参数的优化；(3)供纱筒长径比的优化；(4)倍捻机锭子节能优化设计。
[0012]作为优化：所述的步骤一中，倍捻机模型的具体的建立过程如下：模型建立——计算区域的确定——网格划分——求解器设置——初始化与边界条件——求解设定——后处理；
[0013]模型建立：首先建立气圈的几何模型，对于旋转的纱线，由于一般纱线的直径不足0.5mm，不便于计算，故在建模过程中，需要根据实际情况将纱线模型作放大处理，并假设纱线与其周围的空气以同样的转速旋转，为便于计算，将纱线周围的气流区域限制于一个圆柱区域内，由于气圈内部的锭罐组件在倍捻作业中保持静止，故不予考虑，并将圆柱气流区域内部根据锭罐形状作挖空处理；空气的粘性较小，但由于倍捻作业时，气流的相对速度较大，因此不可近似看作理想流体，即无粘流体，由于空气的粘度系数为常数，因此空气属于粘性流体中的牛顿流体；采用雷诺数来判断其流动状态，用马赫数来判断气体的可压缩性；在不考虑热交换的条件下建立模型的控制方程，由于气流处于湍流状态，原先的动量守恒方程中会多出一项新的未知量，因此需要引入新的湍流模型方程来使方程组闭合，所以选用湍流模型中RNG k
‑
ε模型来满足条件；
[0014]计算区域的确定：对于旋转区域，在稳态下对倍捻机气圈模型进行数值模拟，故采用多重参考系法来处理旋转区域的问题，还需建立包围旋转域的流体计算域模型，称作静止域流场，两者共同组成本专利技术进行数值模拟的计算域模型；为便于计算，静止域外部轮廓确定为与旋转域相同的圆柱形，通常静止域几何模型尺寸可取旋转域几何模型尺寸的几倍甚至十几倍，将静止域相对于旋转域扩大8倍；
[0015]网格划分：在有限元流体仿真平台提供的网格划分模块中完成计算域模型的网格划分，由于使用多重参考系法将计算域分为旋转域流场与静止域流场，故对动静两区域单独进行网格划分，两区域均使用相同的方法进行网格划分；
[0016]求解器设置：利用有限元流体仿真平台完成流场问题的数值计算，首先进行求解器的设置，即针对上文建立的控制方程采用有限体积法进行离散求解，并用对应的算法进行数值求解；
[0017]初始化与边界条件：采用混合初始化作为初始化方法，边界条件的设置主要包含以下几方面：
①
网格区域设置，应用MRF法进行数值模拟，将计算域流场分为旋转域与静止域两个部分，首先设置旋转参考系，即关于旋转域的设置：选择运动类型，旋转原点为(0,0,0)，旋转方向为与Y轴同向，即(0,1,0)，最后设置转速为10000rpm，对于静止域，保持静止；
②
壁面边界设置，纱线外表面随锭子旋转，因此属于移动壁面，定义为Moving Wall，因其与
旋转域一起旋转，故与相邻旋转域的相对速度设为0，其余壁面为静止壁面；
③
交接面设置将外部静止域网格与内部旋转域网格间的交接面创建为Interfaces；
[0018]求解设定：
①
残差监视，创建残差监视可以动态监视求解过程中的残差收敛情况，若不收敛，可以考虑通过增加迭代步数等方法来解决；
②
力矩监视，对旋转域创建力矩监视，在每次迭代结束后，可以通过计算得到旋转域壁面所承受的来自流体(气流)的力矩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流场参数化设计的倍捻机结构自动优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、倍捻机模型的建立：首先针对倍捻机的空气流场建立计算流体动力学模型，然后在仿真软件中对所建模型进行数值求解，具体步骤如下：
①
建立倍捻机加捻作业时空气流场的数学模型，根据三大守恒定律，建立连续控制方程，在有限元软件中，根据现有装置，建立所要计算问题简化后的几何模型，确定计算域及初始和边界条件，确定旋转区域的处理方法；
②
数值离散微分方程组的建立与求解，在有限元软件中，对计算域流场的几何模型进行网格划分，从而完成空间区域上连续方程组的离散，并在流体仿真界面完成求解设计与迭代计算，包括定义模型、设置边界条件及初始化、设定求解参数、定义求解过程监视以及设置迭代步数；
③
显示和输出结果，在流体仿真界面中，完成计算数据的图形化显示和统计处理，并以此分析流体运动与流场变化，具体为通过创建点、线、面、体的位置，完成云图、矢量图、XY曲线图表的绘制；步骤二、仿真参数化：通过在有限元软件中相关界面，可以对倍捻机加捻作业时的气流场进行仿真分析，在数值模拟过程中，将关键的仿真特性定义为输入或输出参数，并创建设计点，进行参数的设置与管理；步骤三、倍捻机锭子组件参数优化：通过数值模拟得到速度云图、压力云图及相关参数，通过参数的分析对以下参数进行优化：(1)倍捻机高度参数的优化设计；(2)倍捻机直径参数的优化；(3)供纱筒长径比的优化；(4)倍捻机锭子节能优化设计。2.根据权利要求1所述的基于流场参数化设计的倍捻机结构自动优化方法，其特征在于：所述的步骤一中，倍捻机模型的具体的建立过程如下：模型建立——计算区域的确定——网格划分——求解器设置——初始化与边界条件——求解设定——后处理；模型建立：首先建立气圈的几何模型，对于旋转的纱线，由于一般纱线的直径不足0.5mm，不便于计算，故在建模过程中，需要根据实际情况将纱线模型作放大处理，并假设纱线与其周围的空气以同样的转速旋转，为便于计算，将纱线周围的气流区域限制于一个圆柱区域内，由于气圈内部的锭罐组件在倍捻作业中保持静止，故不予考虑，并将圆柱气流区域内部根据锭罐形状作挖空处理；空气的粘性较小，但由于倍捻作业时，气流的相对速度较大，因此不可近似看作理想流体，即无粘流体，由于空气的粘度系数为常数，因此空气属于粘性流体中的牛顿流体；采用雷诺数来判断其流动状态，用马赫数来判断气体的可压缩性；在不考虑热交换的条件下建立模型的控制方程，由于气流处于湍流状态，原先的动量守恒方程中会多出一项新的未知量，因此需要引入新的湍流模型方程来使方程组闭合，所以选用湍流模型中RNG k
‑
ε模型来满足条件；计算区域的确定：对于旋转区域，在稳态下对倍捻机气圈模型进行数值模拟，故采用多重参考系法来处理旋转区域的问题，还需建立包围旋转域的流体计算域模型，称作静止域流场，两者共同组成本发明进行数值模拟的计算域模型；为便于计算，静止域外部轮廓确定为与旋转域相同的圆柱形，通常静止域几何模型尺寸可取旋转域几何模型尺寸的几倍甚至十几倍，将静止域相对于旋转域扩大8倍；网格划分：在有限元流体仿真平台提供的网格划分模块中完成计算域模型的网格划分，由于使用多重参考系法将计算域分为旋转域流场与静止域流场，故对动静两区域单独进行网格划分，两区域均使用相同的方法进行网格划分；求解器设置：利用有限元流体仿真平台完成流场问题的数值计算，首先进行求解器的
设置，即针对上文建立的控制方程采用有限体积法进行离散求解，并用对应的算法进行数值求解；初始化与边界条件：采用混合初始化作为初始化方法，边界条件的设置主要包含以下几方面：
①
网格区域设置，应用MRF法进行数值模拟，将计算域流场分为旋转域与静止域两个部分，首先设置旋转参考系，即关于旋转域的设置：选择运动类型，旋转原点为(0,0,0)，旋转方向为与Y轴同向，即(0,1,0)，最...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚卫康，张福豹，刘苏苏，
申请(专利权)人：江苏英迈杰机械有限公司，
类型：发明
国别省市：