基于近似模型的柴油机活塞热机耦合多目标优化

发布时间：2017-09-06 12:38

  本文关键词：基于近似模型的柴油机活塞热机耦合多目标优化

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【摘要】：考虑到活塞重量、最大等效应力、第三环槽最高温度、最高温度梯度之间的不可公度性和矛盾性，因而本文对某柴油机活塞展开热机耦合多目标优化。而若直接分析，往往会存在计算效率低、仿真结果缺乏试验修正、基于梯度的传统优化算法难以解决不可导性和黑箱性的结构、直接采用全局优化算法优化效率低等问题。为此，本文先后展开基于“特征块”的柴油机活塞参数化预处理、准确的热机耦合分析、主次因子分析、基于近似模型的多岛遗传算法（MIGA）全局多目标优化研究。 针对基于“特征块”的柴油机活塞参数化预处理问题的研究，本文首先引入“主体模型”和“分块模型”两个概念，然后提出和比较了三种新的参数化预处理方法，并综合运用方法一和方法二到该柴油机活塞中，降低了网格数量，提高了热机耦合分析效率和后续的优化效率。 针对热机耦合准确性问题的研究，本文首先建立经过参数化预处理的活塞有限元模型，并根据温度场试验结果，不断修正热边界条件，直至符合要求，然后在此基础上分别进行活塞静态和瞬态的热机耦合分析，并在典型的考察区域对两者的等效应力和变形进行比较，发现前者的等效应力和在沿活塞运动方向的变形比后者大，进而说明基于瞬态热机耦合的多目标优化具有更大的优化空间。但考虑到基于后者在主次因子分析与构建近似模型过程中，计算效率低，因而主次因子分析和基于近似模型的热机耦合MIGA全局多目标优化是建立在静态热机耦合基础之上。 针对活塞热机耦合最大等效应力、最高温度梯度、第三环槽最高温度、活塞重量与各因子之间主次问题的研究，本文借助ISIGHT软件，运用优化的拉丁超立方试验设计方法进行采样并分析。首先通过方差分析确保采样点的准确性；然后通过Pareto图、交互效应图和主效应图的综合分析，得出影响最大等效应力的主要因子为X1和X4，以及影响第三环槽最高温度、活塞最高温度梯度和活塞重量的主要因子为X2和X4，从而为各输出响应与相应的主要因子之间的RBF三维拟合图及解空间分布作铺垫。 针对基于近似模型的柴油机活塞MIGA全局多目标优化问题的研究，本文在某柴油机活塞热机耦合静力学分析的基础上，借助ISIGHT软件，选择建立RBF神经网络近似模型，并利用MIGA成功地实现了柴油机活塞的全局多目标优化，最终使得活塞整体减重4.2%，第三环槽最高温度降低10.56%，活塞温度梯度降低4.01%，，尽管最大等效应力提高3.05%。
【关键词】：柴油机 活塞 热机耦合 近似模型 多目标优化
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 国内外研究现状和发展动态13-17
• 1.2.1 活塞热机耦合分析的研究现状13-14
• 1.2.2 近似技术的研究现状14-16
• 1.2.3 多目标优化的研究现状16-17
• 1.3 论文整体策划与章节主要研究内容17-19
• 2 基于近似模型的柴油机活塞多目标优化理论基础19-30
• 2.1 试验设计方法（DOE）理论19-24
• 2.1.1 试验设计方法比较19-21
• 2.1.2 试验结果分析21-24
• 2.2 近似模型理论基础24-26
• 2.2.1 相应面(RSM)模型理论24
• 2.2.2 克里格（Kriging）模型理论24
• 2.2.3 切比雪夫正交多项式模型理论24-25
• 2.2.4 神经网络（RBF）模型理论25-26
• 2.3 多目标优化问题与 Pareto 解理论26-27
• 2.3.1 多目标优化问题的数学描述26-27
• 2.3.2 非劣解（Pareto）解及 Pareto 解集27
• 2.4 多岛遗传算法理论基础27-29
• 2.4.1 传统遗传算法基本思想27-28
• 2.4.2 多岛遗传算法基本思想28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 基于“特征块”的柴油机活塞参数化预处理与热机耦合研究30-48
• 3.1 基于“特征块”的实体模型参数化预处理方法30-33
• 3.1.1 主体模型和分块模型的提出31
• 3.1.2 面向局部特征优化的三种参数化预处理方法31-33
• 3.2 活塞参数化预处理与有限元模型建立33-34
• 3.3 活塞热边界条件确定与稳态温度场分析34-38
• 3.3.1 活塞热边界条件的确定方法34-36
• 3.3.2 活塞边界条件修正与温度场分析36-38
• 3.4 活塞耦合系统及其非线性边界条件的确定38-39
• 3.5 活塞机械负荷边界条件39-40
• 3.5.1 气体作用力39-40
• 3.5.2 活塞往复惯性力40
• 3.6 活塞热机耦合静力学与动力学分析40-47
• 3.6.1 活塞应力场考察区域40-41
• 3.6.2 活塞静态与瞬态应力场对比分析41
• 3.6.3 活塞变形考察区域41
• 3.6.4 活塞静态与瞬态变形对比分析41-42
• 3.6.5 应力与变形对比分析42-47
• 3.7 本章小结47-48
• 4 柴油机活塞冷却油腔参数化与主次因子分析48-58
• 4.1 柴油机活塞冷却油腔参数化48-51
• 4.1.1 面向仿真优化的参数化研究流程图48-49
• 4.1.2 柴油机活塞冷却油腔参数化49
• 4.1.3 设计空间的确定49-51
• 4.2 试验仿真模型建立与试验样本空间确定51-52
• 4.2.1 试验仿真模型建立51
• 4.2.2 试验方案及样本空间51-52
• 4.3 基于 ISIGHT 软件的柴油机活塞主次因子分析52-57
• 4.3.1 输出响应的方差分析（ANOVA）53
• 4.3.2 输出响应的 Pareto 图分析53-54
• 4.3.3 输出响应交互效应图与主效应图分析54-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 近似模型构建与柴油机活塞 MIGA 全局多目标优化58-67
• 5.1 优化问题的数学模型58-59
• 5.2 基于热机耦合的某柴油机活塞近似模型构建59-60
• 5.3 近似模型的拟合精度评价60-62
• 5.3.1 近似模型精度检测指标60
• 5.3.2 近似模型精度检测60-62
• 5.4 基于近似模型的柴油机活塞多目标优化62-66
• 5.4.1 基于 ISIGHT 的仿真优化模型建立62-63
• 5.4.2 优化目标的寻优历程63
• 5.4.3 设计变量和输出响应的 Pareto 解集 EDM 图63-64
• 5.4.4 输出响应 RBF 三维拟合图和解分布64-65
• 5.4.5 活塞优化目标前后对比65-66
• 5.5 本章小结66-67
• 6 结论与展望67-70
• 6.1 全文总结67-68
• 6.2 研究展望68-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果74-75
• 致谢75-76

【参考文献】

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本文编号：803179