[发明专利]基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法

说明书

本发明公开了基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法，利用变密度法对进气歧管流道进行拓扑优化，包括如下步骤：(1)建立进气歧管流体拓扑优化的几何模型，确定设计域；(2)输入介质属性，确定全局和局部变量；(3)以最小能耗为目标，建立进气歧管流体拓扑优化的数学模型，并编写程序；(4)对设计域施加流动速度、压力边界条件和流体载荷；(5)根据RAMP模型求单元的相对密度；(6)编程，利用移动渐进线法进行流体拓扑优化计算，更新设计变量，通过残差来判断迭代是否终止，并输出发动机进气歧管的最优流道拓扑结构。本发明通过调整体积分数、雷诺数以及插值函数参数q可得到最佳流体拓扑结构，适应不同的流体介质，结果可靠。

技术领域

本发明属于计算机辅助工程中的机械优化设计领域，具体涉及一种基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法。

背景技术

结构优化一般是针对符合某些控制方程或规律的问题，通过控制其中一些可变的设计参数，求出满足全部约束条件并使目标函数达到最优解的设计方法。在优化中，用来衡量设计过程中所要描述的结构特征的量叫做设计变量，需要满足的性能方程或几何范围作为约束条件，用来衡量最佳状态的性能函数被称为目标函数。在实际工程中，结构优化一般包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化和形貌优化。其中，拓扑优化是结构优化设计领域的一个热点研究方向。以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在设计空间中找到最佳的材料分布方案，克服了过去仅依靠工程实践经验进行相关结构设计的缺点。

发动机进气歧管是发动机进气系统最关键的零部件之一，其作用是将新鲜的空气或油气混合气分配到各个气缸。进气歧管性能的好坏直接影响发动机进气量的大小，并且将直接影响发动机缸内气体的流动混合与燃烧反应过程，而发动机进气歧管的尺寸、形状和布置等对进气阻力、进气均匀性以及充气效率影响非常大，进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性。在现代发动机的研发中，给各气缸提供足够均匀的新鲜空气或油气混合气对发动机的性能指标有着重要的影响，因此，发动机进气歧管结构的优化设计就显得非常重要。

目前，在传统的发动机进气歧管设计过程中，考虑到进气歧管域进气道的复杂性，设计者一般采用稳流实验来评价进气歧管的性能，然后通过经验对其进行结构优化。但是这种方法对设计者来说，需要积累很多的经验，而且设计周期长、成本高，并且通过实验方法只能得到流场、压差等宏观特性，对于流场内部的详细特征却不能反映出来，因此，进气歧管的结构优化不能获得足够的有用信息。为了能够获得进气歧管内每一点的详细信息，现在对发动机进气歧管的设计主要通过计算流体动力学(Computational FluidDynamics—CFD)来计算分析获得。具体的设计方法是通过给定发动机的设计参数及布置形式初步计算出进气歧管的结构尺寸，然后进行CAD几何建模形成初步的模型，导出进气歧管内部气流的计算域，之后通过采用CFD模拟计算得到发动机进气歧管内部空气或混合气的流动状态，为进气系统优化设计提供依据，进一步通过实验得到发动机进气歧管空气流动状态及其影响因素，提出结构优化改进意见，确定进气歧管的设计方案，再进一步通过形状优化和尺寸优化最终得到其详细的结构。

虽然上述方法可以获得进气歧管的结构，但这些方法依然需要反复试凑，周期长、成本高，而且对于不同的发动机参数来说又需要重新计算设计，灵活性和适应性都比较差，同时最终得到的进气歧管优化结构未必是全局最优解。

1988年，Bendsoe和Kikuchi提出了结构拓扑优化设计基本理论，通过几十年的发展，结构拓扑优化方法及其应用已取得了很大进步。目前，拓扑优化的成果主要集中在结构固体力学和热结构优化设计方面。2003年，Borrvall等人将拓扑优化技术引入到流体领域，此后，国内外学者从多个方面对流体拓扑优化进行了一些研究。目前，对流体拓扑优化的方法有玻尔兹曼法、相场法和水平集法等。流体拓扑优化材料分配方法的基本原则是用连续的方法代替原始的离散设计问题，在这种情况下，材料密度允许在固体和流体空间之间不断变化。因此，在流动问题中假设设计领域里充满了一些理想的空间变化性的多孔材料，固体和开放的流体通道分别对应于低和高渗透性的极限。在最佳拓扑优化设计方案中，最好是没有中间渗透性的区域，否则就不能解释为原始离散问题的最优解决方案。