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一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法

文檔序號:39729672發(fā)布日期:2024-10-22 13:34閱讀:來源:國知局

技術特征:

1.一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,包括以下步驟:

2.根據(jù)權利要求1所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,所述步驟(2)中通過solidworks對原始流道的流域進行幾何建模得到拓撲域模型,并對添加拓撲域未進行優(yōu)化流道模型進行網格劃分,具體為:首先確定流體拓撲區(qū)域范圍,以流道彎管與直管交接截面兩邊各直線延伸與流道轉彎半徑相同長度,以此作為流體拓撲區(qū)域,由此通過solidworks對流域部分進行建模得到拓撲域模型;由于直管流域部分不存在局部壓力損失,即非拓撲優(yōu)化流域,因此只對速度方向發(fā)生變化的局部轉彎處流域進行拓撲優(yōu)化,建立設計空間;即將三維模型以.xt格式導入ansys?workbench,并進行網格劃分,所述網格采用的是非結構性網格,其網格為六面體,大小設置0.1mm,由此得到拓撲前結構的網格模型。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,所述步驟(3)中將直管流域部分在磨粒流拋光中設定為非拓撲優(yōu)化流域,具體為:非拓撲優(yōu)化流域在磨粒流拋光過程中,不存在速度場的急劇變化的直管流域部分,并且磨粒在整體運動過程中處于均勻去除的狀態(tài)且直管部分不存在局部壓力損失。

4.根據(jù)權利要求3所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,所述步驟(2)中的拓撲優(yōu)化,其拓撲優(yōu)化的方法是采用計算流體力學數(shù)值方法進行拓撲優(yōu)化的,具體為:以固體各向同性懲罰插值模型simp拓撲優(yōu)化理論建立數(shù)學模型,以單元密度為設計變量;固體各向同性懲罰插值模型simp是連續(xù)體拓撲優(yōu)化中一種變密度法插值模型;由于設計變量或者為0,即單元去除;或者為1,即單元保留;所述拓撲優(yōu)化是離散變量0或1的組合優(yōu)化,若設計域中存在n個設計變量,則從個方案中尋找最優(yōu)解;當n大于64或者128時,則導致“組合爆炸”,所需的分析次數(shù)超出計算機的計算能力,則會導致無法計算;因此需要將離散變量松弛為0-1的連續(xù)變量,并應用基于連續(xù)變量的導數(shù)優(yōu)化算法求解,對中間密度進行懲罰或者限制,以確保中間密度不會出現(xiàn)或者受到限制,使之向0或1兩極轉變。

5.根據(jù)權利要求4所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,所述simp為懲罰模型,利用oc優(yōu)化準則拓撲優(yōu)化求解算法對數(shù)學模型進行求解,所述oc準則法根據(jù)局部區(qū)域的初始設計點,約束每次迭代應滿足的優(yōu)化條件來求解的。

6.根據(jù)權利要求5所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,所述oc準則法包括最佳特性理論和重新設計準則,所述重新設計準則利用的是控制器反饋方法,其評估系統(tǒng)為結構力學中的有限元分析或計算流體力學分析,由評估系統(tǒng)提供設計響應,設計響應為cfd中的速度場或結構力學中的應力分布,應用于流體動力學中的oc方法基于阻止回流產生的優(yōu)化目標,優(yōu)化約束為體積約束,對回流區(qū)域單元進行“沉降”,并通過監(jiān)測流域內的回流值約束壓力損失,所述回流值代表與流向相反的總質量流量,優(yōu)化器通過評估流場狀態(tài)監(jiān)測回流值,由于當前不會自動停止優(yōu)化過程,需要設置預定迭代次數(shù),當完成預定迭代次數(shù)后會結束優(yōu)化過程,根據(jù)受體積約束的優(yōu)化目標,以及在給定的設計空間中保留或去除實體來迭代地改變流域,實現(xiàn)拓撲優(yōu)化。

7.根據(jù)權利要求5所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,所述約束每次迭代應滿足的優(yōu)化條件來求解的,具體為:首先給出迭代的數(shù)學表達式為:;其中為第k+1次迭代的變量;為第k次迭代的比例因子;為第k次迭代的解;首先將具有約束的拓撲優(yōu)化模型轉為無約束的拉格朗日函數(shù),通過求解拉格朗日乘子來求解目標函數(shù)最優(yōu)解,其拉格朗日方程表達式為:;其中,為結構的柔度;v為材料體積分數(shù);?為單元設計變量;為第i次單元設計變量;為使得l函數(shù)最小化的v值;和分別為單元設計變量上下限,、和是與約束對應的拉格朗日乘子;其中,其目標函數(shù)極限值是根據(jù)kuhn-tucker條件來確定,表達式如下:;其中為l函數(shù)最小化的v值;為等式約束的拉格朗日乘子;為約束條件;通過引入阻尼因子以及移動極限常數(shù)兩個參數(shù)穩(wěn)定迭代,其中,;即采用如下迭代更新形式:;其中,k為次數(shù),?為k次的設計變量。

8.根據(jù)權利要求1所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,所述步驟(3)中的局部轉彎處流域進行流體仿真并拓撲優(yōu)化,是基于步驟(2)給定拓撲優(yōu)化需要的設計空間及邊界條件而完成,具體為:所述流體仿真是將網格模型導入到fluent求解器中進行計算;所述設計空間及邊界條件包括材料屬性和邊界條件;所述材料屬性包括:使用密度為的46號液壓油作為油液介質,其動力粘度為;所述邊界條件求解為:設總體積流量為0.38l/min,則入口質量流量為0.5.4*10^-3kg/s,將入口設置為速度入口,平均速度為2m/s,出口設置為壓力出口,根據(jù)液壓系統(tǒng)實際工況,設定出口壓力大小為0mpa進行仿真;根據(jù)cfd仿真結果在給定的設計空間內進行拓撲優(yōu)化,以入口與出口間壓力損失為優(yōu)化目標,流域材料的體積為約束,得到設計空間內流域拓撲優(yōu)化的初步結果。

9.根據(jù)權利要求8所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,對所述設計空間內流域拓撲優(yōu)化的初步結果進行形狀優(yōu)化處理,得到拓撲流域的光滑曲面,通過提取拓撲后管道優(yōu)化特征,對彎管拓撲區(qū)域進行重新建模,確定流道轉彎部分變截面結構在初始彎管部分的尺寸長度,以及變截面形狀在彎管部分的尺寸變化大小,重新建模得到特定尺寸下精密流道彎管部分的拓撲補償結構,對彎管部分進行結構補償,對于彎管流域在轉彎處短徑處,形成向內凹陷的“月牙型”凹槽,以用來抑制在高速磨粒流拋光過程中磨料介質流體所產生的回流區(qū)域,同時在連接直流道部分形成過渡緩沖區(qū)域,同時拓撲補償結構對于轉彎中心形成對稱結構,用于對磨粒流雙向拋光;對補償結構的彎管精密流道和為做補償結構彎管精密流道進行流體力學分析,通過對比結構補償前和結構補償后流道的流體力學分析結果,在相同進出口條件設置下,補償后得到均勻的流域速度場,且補償后的流道截面改變了磨粒流拋光過程中在彎管截面部分流動特性;同時進行壓力場分布的比較,補償后的精密流道結構去除了彎管部分所產生的低壓區(qū)域、介質流速方向變化產生的渦旋區(qū),以及流動方向改變所引起地彎管部分內測和外側的不同壓力。

10.根據(jù)權利要求1所述的一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法,其特征在于,所述步驟(4)中對流體域增加壁厚生成能夠進行增材制造的流道實體,具體為:由于重新建模后的流體域為變截面流域,呈非規(guī)則形狀,需要為流域增加壁厚才能生成可進行增材制造的流道實體,在保證流道力學性能,避免應力集中的前提下為變截面流域增加均勻壁厚;所述增加均勻壁厚是通過曲面偏移的方式為補償后的的流域增加均勻的安全壁厚得到流道實體模型;所述曲面偏移為流域部分向外擴展形成流道。


技術總結
本發(fā)明公開了一種精細流道彎管拋光補償結構的制造方法。該方法根據(jù)原有精密流道圓弧過渡的彎管部分的基礎上,提取流道直徑、轉彎半徑確定、轉彎角度,由此對磨粒流拋光彎管部分進行結構補償;采用管路流體拓撲優(yōu)化的方法,以固體各向同性懲罰插值模型SIMP(Solid?Isotropic?Material?with?Penalization)拓撲優(yōu)化理論建立數(shù)學模型,應用OC優(yōu)化準則拓撲優(yōu)化求解算法對數(shù)學模型進行求解,以降低壓損目的,使得流域速度場分布均勻,由此確定流道轉彎部分變截面結構尺寸長度,以及截面部分幅度變化大小。本發(fā)明確定了對精密流道彎管部分的補償結構,有效避免了流體磨粒流拋光彎管過程中,產生的拋光不均勻現(xiàn)象。

技術研發(fā)人員:祝毅,李登鋌,徐兵
受保護的技術使用者:浙江大學
技術研發(fā)日:
技術公布日:2024/10/21
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