不同运行环境下高速列车外形气动优化

基于多目标遗传算法NSGA-II和近似模型方法,以明线列车气动阻力和侧风下头车倾覆力矩为优化目标,对列车三维外形进行气动优化设计.建立了基于Hicks-Henne型函数的列车三维参数化模型,对比分析了不同近似模型对列车气动力计算近似精度的影响.研究了列车头部纵向轮廓线、头部水平轮廓线、车身截面形状、鼻尖形状、排障器形状、头部侧翼形状、列车车身高度以及宽度等外形因素对列车在不同运行环境下气动性能的影响,得到了影响优化目标的关键变量.优化结果表明:优化后的列车外形向着头型更尖扁,横断面积更小,车身侧壁弧度增加的方向变化;与原始模型相比较,优化后明线列车气动阻力最大幅值减小了17.5%,侧风下头车侧滚力矩最大幅值减小了22.9%.     

基于GA-GRNN的高速列车头三维优化设计

针对CRH380A高速列车头部外气动减问,设计了一种新基于由曲面局部函数参数化方法,出了一套基于实数编码遗传算法滑因义回归神经网络响应面模（GA-GRNN）气动外优化方法.优化果表明：局部函数参数化方法操作简单、实现方,使用少设计参数可以控制较大区域,且能保证变形的光顺性和不同区域间滑过;使用同样样本点进行训练,GA-GRNN比GRNN的预测精高,更容易到全局最优;优化后,CRH380A三编简化外气动力减小8.7%,本文出优化设计方法简单、高效,为高速列车气动外工程优化设计供了新思路.     

CRH3型高速列车气动头型优化计算

本文针对CRH3型高速列车的气动外形设计问题,提出了一套高效的头型气动力优化方法.使用NS方程进行流场求解,结合遗传优化算法和任意网格变形技术,避免了流场计算时几何变形和网格剖分的庞大时间开销,提高了优化计算的效率.通过对设计空间中的设计点进行统计分析,研究了优化设计变量与优化目标之间的相关性,分析出了影响优化目标的几个关键变量,并采用Kriging算法对关键设计变量与优化目标进行了响应面分析,得到了关键设计变量与优化目标之间的非线性关系.最后,通过优化头型与原始头型的气动性能比较,对CRH3型高速列车原始头型的气动稳定型进行了评估.     

考虑抖振特性的变弯度机翼设计研究

变弯度技术可以提升大升力系数下机翼的抖振特性,对于提高民航客机的综合性能具有重要意义.构造了光滑、连续、可微的定量描述激波-附面层干扰导致的分离强度演变规律的分离函数,实现了适用于大规模精细化气动外形优化的抖振始发特性评估方法.基于典型的民用客机标模,开展了考虑抖振性能约束的机翼后缘变弯度减阻优化设计研究.结果表明采用后缘变弯度技术,在1.3g抖振点减弱激波以及激波附面层干扰导致的流动分离强度,可以获得1.89%的减阻量.以设计点阻力最小进行优化,设计点机翼后缘能够以更大的逆压梯度进行压力恢复;同时在1.3g抖振状态减小逆压梯度,降低分离强度,从而减弱了抖振性能约束对设计点产生的影响.在俯仰力矩配平条件下,获得接近1%的减阻收益.因此结合分离函数预测抖振特性的气动优化设计方法可以对变弯度机翼进行深入的优化设计,让机翼的变弯度收益具备更为实际的参考价值.     

升弓高度对列车受电弓气动性能的影响

为研究升弓高度对高速列车受电弓气动性能的影响,建立受电弓空气动力学计算模型,采用分离涡模拟方法(DES)研究受电弓不同运行状态下的气动特性.数值仿真计算得到的受电弓气动阻力与风洞试验数据误差小于5%,验证了数值仿真模型和方法的可靠性.研究结果表明:受电弓升弓高度和开闭口运行方式对受电弓周围流场结构影响较大,受电弓气动性能有所差异.当受电弓升弓高度不变和运行速度为400 km/h时,开口运行受电弓气动阻力比闭口运行大2.0%～4.07%;当受电弓开闭口运行方式不变时,受电弓气动阻力与升弓高度呈近似线性关系,在升弓高度0～1.4 m范围内,受电弓气动阻力最大增加9.2%.升弓高度对框架系统的气动特性影响较大,对底座、绝缘子以及弓头的影响较小.随着升弓高度的增加,受电弓框架系统周围流场的脉动加剧,气动阻力变大,而弓头和滑板周围的流场变化较小.滑板表面脉动升力具有明显的主频特性,升弓高度对主频的影响较小,闭口运行时频率分布较开口运行分散.     

民用客机变弯度机翼优化设计

针对民用客机机翼-机身-平尾构型开展了后缘连续变弯度机翼气动优化设计,并探索了在优化设计中添加俯仰力矩配平约束的必要性.采用自由型面变形(free form deformation,FFD)方法对全机构型进行参数化,可实现机翼型面、后缘弯度和平尾偏转角的改变.采用基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的离散伴随技术求解气动力系数对设计变量的梯度,并采用序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计.针对CRM(common research model)构型开展了考虑多约束的气动减阻优化设计,验证了优化设计系统的有效性.在此基础上,针对不同巡航升力系数分别进行了考虑和不考虑全机力矩配平约束的变弯度机翼优化设计.优化结果表明,通过机翼后缘变弯度可以改善机翼展向升力系数分布、减小激波强度;为了获得综合最优的减阻设计结果,必须考虑力矩配平约束.     

小展弦比薄机翼精细化气动优化设计研究

战斗机类小展弦比薄机翼的气动设计,主要考虑机翼的平面形状以及弯扭和厚度修形设计,忽略了机翼翼型的精细化设计,因此气动分析手段一般采用Euler方程结合黏性阻力修正的方法.以某典型战斗机机翼为例,分别使用Euler和RANS方程对机翼的流场与气动特性进行了数值模拟,发现Euler方程无法精确捕捉附面层内的流场结构,证明传统使用的Euler方程已不能满足战斗机机翼精细化设计的需要.对该机翼的翼型进行了气动优化设计,发现翼型的设计对该小展弦比薄机翼会失效,证明这类机翼必须在三维环境下进行多剖面翼型设计.综合FFD参数化方法、稳健的动网格技术、Kriging代理模型和粒子群算法,构建了三维气动优化设计方法.利用该方法对该机翼三个剖面翼型进行了跨音速巡航状态单目标以及跨音速/超音速巡航状态多目标精细化化设计,优化设计后机翼的气动性能得到很大的提高.     

基于质量工程的电动轮汽车差速转向集成优化方法初探

建立电动轮汽车差速转向和整车三自由度动力学模型,提出电动轮汽车差速转向系统转向路感、转向灵敏度、转向稳定性的概念及量化公式,集成蒙特卡罗仿真的描述取样、带精英解的非劣前沿分级遗传算法和Taguchi鲁棒性设计方法,以转向路感和转向灵敏度为优化目标、转向灵敏度和转向稳定性为约束条件,对电动轮汽车差速转向系统参数进行集成优化设计.仿真结果表明：基于质量工程集成优化的电动轮汽车差速转向系统可在保证系统具有较好的转向稳定性、转向灵敏度基础上,有效提高系统的转向路感和转向灵敏度,为电动轮汽车差速转向系统的设计和优化提供理论基础.     

基于LBM方法的高速列车空气动力学计算

利用格子波尔兹曼方法计算了高速列车的空气动力学问题．计算采用真实非简化列车几何,千万量级空间网格．不同工况的结果均真实反应实际情况,表明格子波尔兹曼方法在实际工程计算中有非常广阔的应用空间．     

高超声速“准乘波体”构型优化设计方法

乘波体构型以其非常高的气动效率,在高超声速飞行器设计中有着广阔的应用前景.基于各种基准流场的乘波体生成方法的发展,使得在飞行器设计过程中可以根据不同需求选择不同类型的乘波体构型.但是,乘波体构型一般难以直接满足容积率、配平、稳定性等基本的飞行器设计工程需求.针对这一情况,本文结合遗传算法和考虑强黏性干扰效应影响的气动力工程算法,提出了一种"准乘波体"构型优化设计方法.所谓"准乘波体",是指在外形生成过程中保留了乘波体的前缘线,然后对于不同的纵向截面,以相同的型线方程从前缘点出发生成下表面.型线方程以一组幂函数为基函数,通过改变基函数系数即可以不同工程需求为约束条件,借助遗传算法优化获得最优构型.分别获得了无约束条件、以容积率为约束和以在设计点自配平且纵向静稳定为约束的最优"准乘波体"构型.通过CFD数值模拟对相应构型的气动力特性进行了评估,结果表明:"准乘波体"构型流场能够保持较好的"乘波"特性且下表面压力分布较为均匀,可以获得比原乘波体更高的升阻比;通过引入不同约束条件获得的最优"准乘波体"构型,可以在一定范围内灵活地改变容积率,并且在优化过程中可以实现在设计点处满足配平和纵向静稳定要求.     

翼型和机翼的多目标优化设计研究

为使已有的单目标优化方法推广用于多目标/多学科优化中去, 构造一个合适的综合目标函数(确定性算法)或适应函数(遗传算法)是十分重要的. 提出了一种适用于具有约束优化问题的目标函数组合法(OFCM), 讨论了采用确定性算法和遗传算法进行高性能翼型和机翼的双目标和双学科优化的问题. 二维(翼型)和三维(机翼)算例表明本文的方法可用于优化不同流体条件下、不同类型的翼型和机翼.     

双学科(气动/电磁)优化中的遗传算法研究

遗传算法(GA)是一种非传统性, 模仿生物的自然选择与进化而形成的一种概率搜索和总体优化的方法. 讨论了此算法的要点和关键参数. 为应用于多目标和多学科优化的问题, 提出了一种综合考虑多目标和多约束的要求, 并引入归一化系数和约束函数的罚系数的适应函数.     

考虑夹具-托盘组合优化的多资源约束柔性作业车间智能调度

针对多产品混合加工车间中有限夹具-托盘资源引发的生产力制约问题,提出了考虑夹具-托盘组合优化的多资源约束柔性作业车间智能调度方法.首先,以最小化最大完工时间为目标建立了基于设备-夹具-托盘三资源约束的混合整数规划模型.其次,设计了基于可行性修复和自学习型变邻域搜索的改良遗传算法并进行求解,提出了种群染色体初始化、交叉、变异过程中的可行性修复策略,在算法迭代中后期引入三种变邻域搜索方法并构建搜索策略知识库,自学习地求得最优解.最后,基于工业大数据生成算例,并通过数值实验证明了该算法具备求解精度和求解时间上的双重优越性,可有效解决设备-夹具-托盘约束下的柔性作业车间调度问题,为加工车间的生产排产智能化转型提供有力支持.     

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中,开发了气热耦合数值计算方法,并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测,评估其气动与传热特性．针对网络分析结果,提出3种改进措施,即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证,指出改型设计降低了叶片表面最高温度,整体温度分布更加均匀,冷气入口参数匹配合理．结果表明,计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

考虑机动载荷不确定性的机翼气动弹性优化设计

提出了一种考虑飞行器机动载荷不确定性的气动弹性优化设计方法,并应用于一个小展弦比机翼的结构设计中.针对使用理论线性气动力和风洞试验气动力时存在的不确定性,发展了一种载荷修正模型,用于预测理论线性气动力和风洞试验气动力摄动时的严重载荷.定义了3类严重载荷目标函数,并在4种典型机动状态下,针对机翼三个剖面进行载荷评估,基于序列2次规划法,确定严重载荷状态;在此基础上,以质量最小为目标,以结构应力、变形和颤振速度为约束,采用遗传-敏度混合算法开展气动弹性结构优化设计.所得到的最优结构虽然比单独采用理论线性气动力或试验气动力得到的最优结构要重,但由于在设计之初考虑了气动力的不确定性,因而在实际飞行中遭遇严重载荷时将更具鲁棒性,可降低结构重新设计的风险.     

基于去伪加权方差最小化算法的大型复杂零部件局部配准全局方法研究

以汽车飞轮壳、车身为典型代表的大型复杂零部件机器人加工质量高度依赖于测量技术.针对现有点云配准算法难以抑制由于结构偏差、余量分布不均和各种测量固有缺陷所引起的匹配偏差问题,本文围绕局部配准定位全局的思路,提出一种去伪加权方差最小化(DPWVM)算法用于点云精配准.建立自适应比例因子调节的权重函数,区分结构偏差点云和其他异常点云,从而对每个点对距离施加合理权重,以降低结构偏差点云对配准精度的影响.进一步,统一点到点距离和点到面距离,建立自适应协调距离,以提升算法收敛稳定性.本文所提算法在汽车飞轮壳局部配准定位全局的过程中可有效提高配准精度并抑制匹配倾斜,相比于ICP、VMM算法,绝对定位精度分别提升18.9%和66.7%,匹配倾斜抑制程度分别提升25.9%和85.3%,与WPMAVM算法相比,收敛稳定性进一步提高.此外,本文所提方法仅需单次数据采集即可有效配准定位,极大地提高了配准效率.     

可变后缘弯度机翼柔性蒙皮的刚度需求分析

建立了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形分析方法.翼型压力分布计算采用面元法,结构分析采用有限元方法.在此基础上,计算了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形情况以及变形对气动力的影响.数值结果表明:后缘部分的柔性蒙皮在气动载荷作用下被"吸"成鼓包形状;同时,翼型上表面压力在"鼓包"位置出现比较大的变化.采用Jacobs的蒙皮形变准则(蒙皮的最大形变量小于弦长的0.1%),计算和分析了可变形后缘弯度机翼对柔性蒙皮的刚度要求.计算结果表明:对于可变后缘弯度机翼而言,增大蒙皮弯曲刚度和拉伸刚度的比值可以减小蒙皮结构对拉伸刚度的要求.柔性蒙皮的最大形变量是随着其拉伸刚度的降低而增加,但增加的幅度取决于蒙皮弯曲刚度的大小;当蒙皮弯曲刚度大于某个值时,蒙皮的变形量由弯曲刚度来控制,拉伸刚度不在起作用,这对柔性蒙皮的结构设计具有重要的指导意义.     

肠道内多胶囊机器人的控制策略

针对肠道胶囊机器人的临界间隙现象,研制了一种具有径向间隙自补偿功能的变径胶囊机器人,应用泛函变分原理,建立了满足胶囊机器人外螺旋肋表面边界条件的流体动压力模型,基于端部效应和机器人外表面流体的动态平衡特性,对胶囊机器人的临界间隙现象进行了理论与试验研究,定义了启动转速的概念,对螺旋参量与启动转速的关系进行了研究,提出了同一磁场下对多个胶囊机器人实施驱动控制的方法,并以启动曲线具有相似运动规律为目标函数,通过遗传算法（GA）对多个胶囊机器人的螺旋参量进行了优化设计,试验表明能有效的对多个胶囊机器人实施驱动控制,实现人体肠道内多个不同医疗目标胶囊机器人的驱动与控制,具有良好的医学应用前景.     

干凝胶法制备惯性约束聚变靶用厚壁空心玻璃微球

为实现惯性约束聚变靶用厚壁（5～10μm）空心玻璃微球（Hollow Glass Microsphere,HGM）的干凝胶法制备,从数值模拟和工艺实验两个方面研究了玻璃配方发泡剂种类和含量、炉内载气组分、压力和温度对厚壁HGM制备过程及其壁厚的影响.结果表明,针对厚壁HGM在炉内成球过程中停留时间短的特点,需要对玻璃配方以高表面张力和低高温粘度为目标进行优化设计,需选用分解温度高和分解速率慢的发泡剂,并对发泡剂含量进行精确控制.提高载气中氩气的体积比例有利于增加HGM的厚壁.由于载气压力可调范围有限,提高载气压力不能显著增大HGM的壁厚.升高载气温度将减小HGM的壁厚,但有利于提高HGM的品质和合格率.当载气中氩气的体积分数在80%～95%、载气压力在1.0×105～1.25×105Pa、炉温在1600°C～1800°C时,能制备得到壁厚5～10μm、直径200～300μm的HGM,其球形度、壁厚均匀性和表面光洁度较好,但合格率还有待进一步提高.厚壁HGM的抗压强度、抗张强度和对氘气的渗透系数都随着壁厚的增大而逐渐下降.     

基于(火积)理论的H形多尺度换热器构形优化

与换热器热有效性定义类比,定义换热器的(火积)耗散有效性为无量纲(火积)耗散率与无量纲总泵功率之比.以(火积)耗散有效性最大为优化目标,分别在换热器管道总体积和总表面积一定的约束条件下,对H形多尺度换热器进行构形优化,得到(火积)耗散有效性最大时的H形多尺度换热器最优构形.结果表明在换热器管道总体积一定的条件下,对于一级T形换热器,当冷、热流体质量流率较小时,热有效性和(火积)耗散有效性最大的一级T形换热器最优构形是明显不同的.对于H形多尺度换热器,给定换热器级数时,(火积)耗散有效性随质量流率的增大而减小;给定无量纲质量流率M(M<32.9)时,(火积)耗散有效性随换热器级数的增加而减小.H形多尺度换热器与H形单尺度换热器相比,多尺度换热器性能得到显著提高.此外,本文还对换热器管道表面积约束的情形进行了讨论.本文优化结果使得换热器的传热和流动性能得到很好的兼顾,可为换热器的优化设计提供参考,有助于丰富(火积)理论内涵.