液压集成块性能评估系统关键技术研究

摘要

液压集成块是集成式液压系统的核心零部件，其内部流动特性直接影响液压系统的能耗和工作性能。从工程实用的角度，液压集成块不仅应具有良好的结构形态，还要具有与其所属液压系统的既定设计要求相匹配的通流品质。本文结合国家自然科学基金项目，以在结构优化设计的基础上实现性能寻优为目标，系统地研究了集成块内流系统的微观流动特性和耗能机理，建立起提高液压集成块通流性能的性能设计准则，依次实现对集成块设计方案的性能评价和方案优选；同时定量校验所得集成块设计结果的性能品质，取得了预期的成果。
　　 通过对国内外同类研究现状和成果的总结，本文提出针对液压集成块结构优化设计所得结果群体实施性能优选和校验，从而实现对液压集成块性能优化的的设计策略。这是一种复杂的带多性能约束的工程设计问题。其中，性能约束来源于对液压管流特性的深入研究，隶属于流体力学的研究范畴。
　　 根据液压集成块性能评估系统的功能需求，采用功能驱动的系统规划原理，对液压集成块的设计方案考核、性能评价优选、性能校验以及三者的集成方式进行了详细规划，建立起液压集成块性能评估系统的结构体系和总体工作流程。在此基础上，针对液压集成块管网的结构特点及液压管流的理化特性，提出用于液压集成块管流特性研究的计算流体力学(CFD)关键性建模技术，并实验验证了方法的可行性及结果的可靠性。为全文的研究奠定了基础。
　　 针对液压管流雷诺数相对较低的特点，运用等效流场分布和分布参数方法建立了局部阻力系数的计算模型，由此得出局部液阻的低雷诺数局部阻力系数，实现了对局部液阻阻力特性的量化评价，而且对其规律进行了合理的阐述。该方法涵盖了局部液阻引起的全部损失，消除了管壁对流体固有摩擦的影响，提高了局部阻力系数结果的准确性和计算效率。在此基础上，深入研究典型局部液阻的液压管流特性及能耗机理，建立起以获得优良通流品质为目标的局部液阻结构设计规则。
　　 为了全面性、多角度地评价集成块复杂管网的通流品质，将无因次压降系数和耗散率分别作为评价复杂管网的阻力特性和能耗特性的性能指标。通过对典型复杂管网的CFD研究，揭示了其内部管流的复杂机理，分析了局部液阻之间的相互影响关系，阐述了管网组合方式、工艺孔属性和进出油孔道属性等对管网性能品质产生的影响，并量化评价了三类组合管网的性能品质。在此基础上，确定了面向集成块性能优化的管网结构设计规则。另外，建立了面向多工艺孔复杂管网的虚拟分块原则，为其流动特性的快速分析提供依据。
　　 为实现集成块结果群体中的方案寻优，提出基于多目标决策方法的集成块性能优选设计策略。将性能约束规则转化成性能子目标，采用线性加权和法建立起集成块性能品质的多目标决策模型；根据实施性能优化必备的原始设计信息，设计科学合理的信息数据结构，从性能优选设计的需求出发，科学地建立面向性能优选的开放式工程数据库系统；通过数据库技术自动识别结构设计结果的孔道结构特征，实现对集成块设计方案的性能考核；依据性能考核结果实施集成块性能品质的量化评价；根据结果样本的性能评价函数值，实现集成块设计方案的性能优选。
　　 为了快速、准确地校验液压集成块的管网性能，运用CFD和最小二乘支持向量机( LS-SVM)相结合的方法实现了管网压降的建模和预测。基于CFD的基础研究，确定出压降预测模型的参数驱动变量，并借鉴正交实验的方法提取模型的训练数据和测试数据，从而建立基于LS-SVM的压降预测模型。经对比研究确立适合用于管网压降参数化预测的核函数，并与基于BP神经网络的预测模型在预测精度、必要的训练样本数及训练时间等方面进行了对比。开发了面向工程应用的液压集成块管网压降校验的实用性工具软件系统。
　　 基于上述研究，应用VC++6.0开发环境和Obj ectARX开发工具包，实现各个子模块的衔接及封装，开发出基于MDT环境的液压集成块性能评估系统，成功实现了液压集成块设计结果的性能优选设计。该软件系统主要包括数据输入模块、性能评价优选模块和管网性能校验模块三部分。通过典型工程实例验证了本系统的有效性及本文所用方法的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 工程背景和研究问题的提出

1.2 液压集成块设计问题研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 研究现状评述

1.3 液压管流特性问题研究现状

1.3.1 液压管流特性研究

1.3.2 计算流体力学方法

1.3.3 CFD在液压管流特性研究中的应用

1.3.4 研究现状评述

1.4 论文的研究内容与意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究意义

2 液压集成块性能评估系统的总体规划及关键技术

2.1 性能评估系统总体规划的任务与方法

2.1.1 性能评估系统总体规划的任务

2.1.2 性能评估系统总体规划的方法

2.2 基于功能驱动的性能评估系统规划原理

2.2.1 性能评估系统的功能及结构

2.2.2 性能评估系统体系结构框架

2.2.3 性能评估系统总体工作流程

2.3 液压管流特性研究的CFD基础理论

2.3.1 流动问题的数值模拟方法

2.3.2 有限体积法的技术路线

2.3.3 基于SIMPLE算法的流场数值计算

2.4 液压管流特性研究的CFD建模方法

2.4.1 液压管流特性数理模型的建立

2.4.2 复杂流域模型的网格划分技术

2.4.3 多物理场简化下的数值模拟

2.4.4 数值模型及结果的实验验证

2.5 本章小结

3 液压集成块局部液阻的流动特性和耗能机理研究

3.1 集成块结构复杂性及减阻策略分析

3.1.1 集成块内流系统的复杂性

3.1.2 集成块内流系统的减阻策略

3.2 基于分布参数的集成块管网压降计算方法

3.2.1 管网流动阻力的分类

3.2.2 短管网的压降损失模型

3.3 集成块局部液阻的性能品质评价

3.3.1 局部损失的产生机理

3.3.2 局部损失的数学模型

3.3.3 局部阻力系数的确定方法

3.3.4 数值模型中计算区域的选择

3.4 典型局部液阻的流动特性研究

3.4.1 直角转向

3.4.2 突变

3.4.3 平行相交

3.4.4 弯头

3.4.5 三通

3.4.6 非正交结构

3.5 本章小结

4 液压集成块复杂管网的流动特性和耗能机理研究

4.1 液压集成块复杂管网的基本特点

4.2 集成块管网性能品质的评价方法

4.2.1 管网的阻力特性及评价指标

4.2.2 管网的能耗特性及评价指标

4.3 集成块复杂管网的流动特性研究

4.3.1 典型管网的流动特性和耗能机理分析

4.3.2 邻近局部液阻之间的影响机理

4.3.3 组合方式对复杂管网性能的影响

4.3.4 工艺孔的属性对管网性能的影响

4.3.5 进、出油孔道的长度对管网性能的影响

4.4 基于虚拟分块法的管流特性和耗能机理研究

4.5 面向性能优选的液压集成块设计规则

4.6 本章小结

5 基于多目标决策方法的液压集成块性能优选设计

5.1 液压集成块的性能优选设计

5.1.1 性能优选设计策略的提出

5.1.2 性能优选流程与系统信息流

5.2 集成块性能优选的多目标决策模型

5.2.1 多目标决策方法

5.2.2 集成块性能评价模型的构建

5.3 集成块性能优选设计的信息表达

5.3.1 性能优选设计的数据结构分析

5.3.2 性能优选设计的数据库技术

5.4 集成块孔道结构特征的自动识别

5.4.1 集成块三维装配模型构建

5.4.2 局部液阻结构的识别算法

5.4.3 管网结构特征识别的实现

5.5 集成块性能品质的考核评价

5.5.1 集成块孔道结构的性能考核

5.5.2 集成块性能品质的评价实例

5.6 本章小结

6 基于支持向量机的液压集成块管网的性能校验

6.1 集成块管网性能校验的参数化实现

6.1.1 参数化压降校验思想的提出

6.1.2 参数化压降校验的技术方法

6.2 支持向量机理论

6.2.1 机器学习的基本理论

6.2.2 支持向量机的基本思想

6.2.3 最小二乘支持向量机的函数回归估计原理

6.2.4 径向基核函数的最小二乘支持向量机参数选择

6.3 基于最小二乘支持向量机的管网性能参数化校验

6.3.1 压降参数化校验基本步骤

6.3.2 管网压降参数化校验模型

6.3.3 校验模型的特征信息提取

6.3.4 校验模型学习及回归测试

6.3.5 校验模型的性能品质分析

6.4 LS-SVM和BPNN在管网压降预测中的应用对比

6.5 液压集成块性能校验模块的设计开发

6.5.1 软件功能实现

6.5.2 工程应用实例

6.6 本章小结

7 液压集成块性能评估软件系统

7.1 性能评估系统的总体设计

7.1.1 系统开发平台及支撑软件

7.1.2 系统组成模块及功能框架

7.2 性能评估系统的运行界面

7.2.1 数据输入模块

7.2.2 性能评价优选模块

7.2.3 管网性能校验模块

7.3 性能评估系统应用实例

7.4 本章小结

结 论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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