足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法研究

液压油源是足式机器人液压驱动系统的核心供能元件,将电能产生的机械能转化为油液的压力能,为驱动机器人各关节运动提供动力源。液压油源质量一般占据足式机器人整机质量超过20%,实现油源的轻量化,将有助于提升足式机器人的续航能力、机动性和承载能力。传统液压油源设计过程中更关注性能,在轻量化匹配设计方面还有待进一步完善。首先进行足式机器人轻量化液压油源的原理设计;其次将液压油源以功能为依据进行模块划分,分析液压油源各模块质量影响参数;针对质量与体积占比较大的电机泵进行匹配研究,针对蓄能器模块进行参数轻量化分析;针对集成阀块的轻量化设计,研究流道构建与元件排布原则;成功研发一种轻量化液压油源样机;最终形成了一种足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法,有助于实现足式机器人液压驱动系统的轻量化。     

“液压元件与系统轻量化设计制造新方法”基础理论与关键技术

高端移动装备重量严重制约着其续航能力、机动性能和承载能力,对其减重不仅有利于提高装备性能,还可实现节能减排,有利于加速碳达峰和碳中和进程。液压系统作为高端移动装备的重要组成部分,占有非常大的功率和重量,是高端移动装备实现轻量化的关键。从液压系统级介绍轻量化设计理论、小型化液压油源和一体化电液执行器的研究进展及成果,从液压元件级介绍碳纤维液压缸、非金属液压油箱和集成单元增材制造的制造工艺和方法的研究进展及成果,并简要介绍其中的基础理论与关键技术,总结液压元件与系统轻量化发展的研究热点及重要解决途径。     

考虑分布参数不确定的换热器封头结构优化研究

针对换热器封头的性能设计问题,对封头结构变量不确定性分析、Kriging近似模型构建、结构变量优化设计等方面进行了研究,提出了一种考虑分布参数不确定的换热器封头结构优化设计方法。基于对封头结构变量的不确定性来源的分析,建立了结构变量及其分布参数不确定性的表达函数;基于预测区间准则和遗传算法,构建了封头结构变量与流动不均匀度的自适应Kriging近似模型;建立了换热器封头结构优化设计函数,在Isight中实现了以流动不均匀度最低为目标的封头结构变量优化设计,获取了最佳封头结构尺寸。研究结果表明:优化后的封头结构的内部流动更均匀,降低了出口速度的不均匀度,提高了换热效率。     

基于ANSYS-Workbench的BY004-1型轴向柱塞泵缸体的结构优化

根据某公司对缸体轻量化和小型化的需求,以BY004-1型柱塞泵缸体为研究对象,应用ANSYS-Workbench软件对其进行了数值仿真,并利用软件的优化模块Design Explorer对缸体的体积进行优化,得到结构参数对优化结果影响的一些规律。优化后的缸体体积减小了16.16%,且满足原工况要求,有效地优化了缸体结构,节约了成本。     

微压休闲舱加强筋布局优化及轻量化研究

针对现有民用压力舱体存在质量过大，在模拟不同工况时因刚强度不足而发生失效，结构安全性较低的问题，这里以休闲舱结构为研究目标，深入研究其结构的静动态性能。通过构建多目标函数模型并在HyperMesh软件中定义，进行静动态拓扑优化，并获取舱体的单元密度图，分析确定其薄弱区域，同时对休闲舱加强筋结构重新布局并建模；为实现结构轻量化目标，通过构建尺寸优化的函数模型，对各区域加强筋和舱体壁面厚度参数进行优化。优化结果显示：优化后的休闲舱质量减少11.58%，前三阶固有频率分别提高了8.06%、8.34%、9.68%，最大变形量减少0.633mm，最大等效应力降低10.8MPa，在提高舱体结构安全性的同时实现了一定程度的轻量化。     

基于NSGA-Ⅱ混合灵敏度分析的白车身轻量化优化设计

针对白车身的轻量化问题,提出了一种基于混合灵敏度分析的参数化优化方法。通过有限元仿真,标定白车身的弯扭刚度及模态性能。以试验设计分析零件厚度相对白车身弯扭刚度及模态的灵敏度,确定并筛选出对白车身刚度及模态性能影响不大的零件。将零件厚度作为多目标优化的设计变量,以白车身质量最小化、弯扭刚度最大化为优化目标,模态性能为约束条件构建多目标优化设计函数。基于NSGA-II遗传算法,进行白车身结构的轻量化优化设计。经Isight优化求解仿真,优化所选零件的厚度,轻量化设计了白车身结构。轻量化设计后的白车身性能仿真结果表明,其刚度及模态性能得到保证的前提下,白车身质量减轻了5.7%。     

一种小型化迷宫液压油箱设计与性能分析

油箱小型化是实现移动液压装备轻量化的迫切需求和有效手段。为提高小型化液压油箱除杂、除气和稳流的基本性能,给出一种小型化迷宫液压油箱结构并结合欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型等评价其基本性能。首先,阐述迷宫油箱的整体结构与功能区设计;其次,为达到最佳的除杂效果,通过数值模拟方法对迷宫油箱中的关键结构参数如油箱回油管深度和稳流区上壁面倾斜角度进行讨论分析;最终,基于气-液、固-液两相流和油液单相仿真结果给出迷宫油箱和传统油箱的除杂、除气和稳流性能对比。相较于传统油箱,在相同流量、体积且无过滤装置的前提下,小型化迷宫液压油箱除杂和除气性能提升显著,如对直径250 μm金属颗粒的去除效率达到89%,对直径500 μm气泡的去除效率达到68%。此外,迷宫油箱对稳流性能有很大提升,但在液压系统启动时存在短暂自由液面波动情况。小型化迷宫液压油箱的建模和性能分析为油箱小型化设计和性能提升提供理论指导。     

集中供热用非对称板式换热器流动换热的研究

非对称板式换热器流道截面相异的特性为集中供热一二次网流量差异下换热性能的优化提供了可能。通过数值模拟,研究了不同工况下人字形非对称板式换热器的波纹倾角β、节高比■/H对其传热系数和流动阻力的影响;以经济学费用现值PC为标识,对其综合性能进行评价。结果表明:波纹倾角β对不同节高比板片的影响并不相同,其对小节高比(■/H≤5)板片换热系数和阻力影响均较大,而大节高比(■/H≥6)对波纹倾角β敏感性较弱;当β≤60°时,大节高比板片具有较好的换热性能和较低的流动阻力,其经济性优势显著,可节省33%～61%的总投资费用;综合考虑设备性能和经济性,β=50°、■/H=6、7为合理的结构参数。     

杈式折流栅对管壳式换热器壳程性能的影响

杈式折流栅是一种以斜向流和射流混合流动来强化管壳式换热器性能的新型管束支撑结构,用来代替杆式折流栅,可以弥补低雷诺数下,折流杆换热器换热效果的不足,并有效提高传热效率。依据计算流体力学原理和周期性数值模型,研究了杈式折流栅换热器的壳程流体流态、以及结构参数对换热器壳程流动传热的影响,得出了可用于指导工程设计的换热器传热、压降关联式。结果表明:随着折流片定向角及无量纲间距的减小,杈式折流栅换热器的综合性能先增大后减小;同质量流量下,与同尺寸折流杆换热器比较,杈式折流栅换热器的壳程传热系数提升170%～200%,综合性能提高了2.1%～24%,尤其在较低流量下,杈式折流栅的传热效率更加突出。     

基于神经网络和响应面近似模型的车门性能多目标优化

通过优化前车门模态、刚度以及轻量化,以改善整车性能和车内舒适性是车辆NVH的研究热点之一。以某乘用车左前车门为研究对象,计算分析其模态和刚度性能。以关键零部件厚度为设计变量,通过最优拉丁超立方试验设计获取样本数据,构建车门模态、刚度及质量的神经网络和响应面近似模型。以车门一阶弯曲模态频率最大化、质量最小化为优化目标,其余性能为约束,运用NSGA-II遗传算法进行性能多目标优化。结果表明:车门一阶弯曲模态频率提高1.24Hz;车门质量减少3.63kg,轻量化率为13.57%,其余性能均达标。基于多种类近似模型的多目标优化方法可有效提升车门性能。     

高压液压能源系统热特性及热控制仿真分析

高压液压技术是未来飞机液压系统的主要发展趋势,由于损耗功率增加,系统温度变化将更加剧烈并影响飞行安全,因此,高压液压系统的热特性与热控制技术是未来飞机液压系统设计需要考虑的一个重要因素。以某高压液压能源系统为例,对液压能源系统的主要液压元件进行生热和散热机理分析。利用AMESim软件开展液压系统温度特性分析,权衡系统是否需要热交换器。结果表明:热交换器有效降低系统油液温度至安全温度内;同时,得到燃油-液压油热交换器位于不同位置、系统在不同飞行阶段下不同环境温度、机翼处管路引入冷气流等工况下温度变化趋势,为飞机高压液压能源系统热设计提供参考。     

汽车尾气温差发电系统车载兼容性多目标优化研究

汽车尾气温差发电系统在接入发动机的排气管时会改变其气流，为了尽可能降低对发动机原有性能的影响，提高汽车尾气温差发电系统的发电性能，针对汽车尾气温差发电用六边形热交换器，以表面平均温度最高和压力损失最小为目标进行其车载兼容性优化。基于CFD软件搭建了热交换器的有限元仿真模型，研究热交换器的入口气体流速对其表面温度和压力损失的影响，以及入口气体温度对其表面温度的影响，以翅片长度、角度、宽度及翅片间的间距为设计变量，针对试验数据建立高斯过程回归代理模型，并采用灰狼算法在多目标优化函数空间中寻求最优解。结果表明，与经典的NSGA-Ⅱ算法相比，利用多目标灰狼算法进行优化时所得Pareto解集更为集中，设定的评价指标值也更高；与优化前的几种结构相比，优化后的热交换器表面平均温度有所降低，但压力损失下降显著；与空腔结构热交换器相比，其表面平均温度和压力损失均有提升，压力损失增加幅值在可接受范围内，证明优化后的热交换器能有效兼顾汽车尾气温差发电系统的功率及其车载兼容性。     

U型垂直地埋管换热器性能的影响因素分析

为了了解不同的设计参数对于换热器性能的影响,本文通过建立流体力学三维模型模拟了管长60²00m的地埋管换热器性能。研究结果显示,流体进口温度、流体速度和初始地下温度都对换热器性能有显著的影响,考虑到热通量和压降2个因素,推荐流速为0.5m/s。回填物和土壤的密度及比热对性能的影响小于导热率的影响。文中开发了一个简单的数学模型用于预测回填物和土壤,比热和导热率以及热通量的影响,预测结果与CFD结果高度符合。当换热器的长度从60m增加到200m,热通量下降,影响半径也变小。     

Heat transfer and pressure drop amidst frost layer presence for the full geometry of fin-tube heat exchanger

The present study numerically solves the flow and thermal fields in the full geometry of heat exchanger modeling with frost layer presence on the heat exchanger surface. The effects of air inlet velocity, air inlet temperature, frost layer thickness, fin pitch, fin thickness, and heat exchanger shape on the thermo-hydraulic performance of a fin-tube heat exchanger are investigated. Heat transfer rate rises with increasing air inlet velocity and temperature, and decreasing frost layer thickness and fin pitch. Pressure drop rises with increasing air inlet velocity and frost layer thickness, and decreasing fin pitch. The effect of fin thickness on heat transfer and pressure drop is negligible. Based on the present results, we derived the correlations, which express pressure drop and temperature difference between air inlet and outlet as a function of air inlet velocity and temperature, as well as frost layer thickness.     

栅板式换热器的传热性能研究

建立了栅板式换热器板内流体流动的二维物理模型,通过数值模拟和冲渣水试验,分析了回收余热的栅板式换热器的传热性能。模拟了板间距和入口流速对流动和流阻的影响;试验测试了栅板式换热器的压降,分析栅板式换热器传热和流阻特性,并拟合出其传热和压降准则关系式。     

管壳式换热器设计及软件开发

传统管壳式换热器的设计工作量大、效率低,设计方法比较粗糙,设计偏差较大。本文基于VB6.0编程语言,使用分段设计方法,开发出了管壳式换热器设计软件,该设计方法将换热器按照管壳程结构分为有限个单元,根据工艺条件,求解单元温度分布,依次对每个单元进行设计,进而完成整台换热器的设计,该方法充分考虑了介质物性随温度变化对设计的影响,设计结果与HTRI对比,误差很小。本软件可根据需要进行选型设计,也可以以总传热系数与总压降的比值K/ΔP为评价标准,选取性能最高的换热器结构,完成优化设计。     

A numerical study of flow distribution effect on a parallel flow heat exchanger

The effect of flow distribution on thermal and flow performance of a parallel How heat exchanger has been numerically investigated. The flow distribution has been altered by varying the geometrical parameters that included the locations of the separators, and the inlet/outlet of the heat exchanger. Flow nonuniformities along paths of the heat exchanger, which were believed to be dominantly influential to the thermal performance, have been observed to eventually optimize the design of the heat exchanger. The optimization has been accomplished by minimizing the flow nonuniformity that served as an object function when the Newton’s searching method was applied. It was found that the heat transfer of the optimized model increased approximately 7.6%, and the pressure drop decreased 4.7%, compared to those of the base model of the heat exchanger.     

液压动力站热特性测试与仿真分析

以具有冷却系统的液压动力站为研究对象,通过测试和仿真,分析各类液压元件的产热和散热特性。根据元件特征参数和物理尺寸,在AMESim软件中建立液压动力站的仿真模型,并根据测试数据对模型进行校准和验证。结果表明,当油冷器中油液流量在40~80 L/min的范围内正弦变化时,油液压降和散热功率以相同的频率分别在0.005~0.030 MPa和9~21 kW的范围内变化。即使冷却风扇不工作,油冷器的散热量仍占系统总散热量的70%以上。当液压管路较长时,管路的散热量较大,不可忽略。研究结果可为液压系统热特性建模仿真和分析提供指导。     

钉头管自支承式换热器的耦合传热及流场数值模拟研究

对钉头管自支承式换热器的结构进行合理简化,建立数值模型,用FLUENT软件对其温度场和流场进行数值模拟,分析比较了钉头管自支承式换热器对空气、水、润滑油3种介质的强化传热效果。结果表明钉头管自支承式换热器对粘度较小的空气介质效果更明显,其强化传热系数可达光管结构的1.7倍左右,压降为光管结构的1.04-1.08倍。