《提高車用液力元件功率密度的葉柵系統設計理論研究》是依託北京理工大學，由魏巍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：提高車用液力元件功率密度的葉柵系統設計理論研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：魏巍
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目的研究對象是在各類車輛中廣泛套用的液力傳動元件的設計理論，目前國內外研究熱點主要集中在工程適用的全三維設計理論及其高功率密度最佳化設計等方面。但當前在液力元件設計中存在如下瓶頸問題：
1、傳統束流理論採用經驗公式對葉柵系統、尤其是循環圓的寬度進行剛性限制，但在原始特性上並沒有體現其影響；
2、循環圓參數描述及建模過於複雜，難以融入全三維最佳化設計體系中，這也一定程度上導致了束流理論與三維數值分析缺乏有效結合，設計耗時過長。因此，通過重建液力元件葉柵系統參數體系和循環圓形狀，去除當前設計中所採用的大量經驗公式，探索葉柵系統各個參數對原始特性的影響是解決上述問題的關鍵。
本項目重點研究是：
1、液力元件新型循環圓參數設計理論；
2、葉片三維參數化幾何模型建模方法；
3、葉柵系統三維參數化最佳化設計方法。
本項目所取得的成果將為各類車輛液力傳動元件的高功率密度設計及其全三維設計提供理論依據。
結題摘要
提高車用液力元件功率密度，一方面可由提升外界轉速實現，另一方面則可以從葉柵系統的三維流動最佳化設計著手，尤其需要考慮從將傳統設計理論中循環圓寬度依賴與有效直徑的現狀轉變為獨立於有效直徑的方法著手。
本項目針對車用液力元件扁平化設計與三維最佳化技術開展相關研究。
首先，對傳統循環圓構型方法進行分析，去除由給定經驗公式確定的直徑與寬度方向約束，將寬度與直徑參數解耦，提出了在一定有效直徑下可變寬度的柔性扁平循環圓設計方法。實現了循環圓最簡參數設計，確定了傳統循環圓由有效直徑和最小直徑兩參數即可確定幾何形狀，而扁平循環圓再加上扁平比一參數即可實現對應循環圓設計，避免了傳統方法涉及多段圓弧，且每段圓弧均要考慮圓心、半徑、起始及終止角度等眾多參數的問題。在此基礎上，編制了傳統及扁平循環圓設計程式，給出4種不同扁平比所對應的循環圓，驗證了設計方法的有效性。
其次，對車用液力元件這類具有空間不可展葉片特徵的葉柵系統，結合可變寬度柔性扁平循環圓設計方法，通過展開葉型多圓柱面投影方法的研究，提出了扁平循環圓葉柵系統設計方法並進行了驗證，結果表明這種設計方法扁平比在理論上極限可壓縮至0.19，此時軸向尺寸可減少至61.3%，工作腔體積可減少至40.9%，從循環圓扁平化角度有效提升了體積功率密度；同時對後續三維最佳化中決定最佳化規模的設計參數進行了參數敏感性分析，提取了關鍵參數，明確了顯著影響傳動性能的葉輪出口半徑、循環圓寬度和葉片數目等參數和對應的影響規律。
最後，構建了液力元件葉柵系統三維最佳化設計的集成最佳化框架，通過流場數值模擬展開研究確定了適用於液力元件的計算格線和湍流模型；通過最佳化框架將循環圓設計、葉柵構型、流場分析、最佳化算法、試驗設計與回響曲面進行集成。以最高效率為單最佳化目標，葉片數為變數，開展圓形循環圓葉柵系統三維最佳化設計，給出了給定葉型下的最佳葉柵數目；針對給定扁平比葉柵系統，以最高效率、起動變矩器和起動泵輪力矩係數為多最佳化目標，各葉輪內外環葉片入口和出口角度為變數，對葉柵系統性能進行了最佳化設計，給出了對應的Pareto解集，選取了對各最佳化目標權重分配不同的6組設計結果並進行了葉柵系統建模，完成了具有扁平循環圓特徵的高功率密度特徵液力元件葉柵系統最佳化設計。
本項目的相關研究成果可以有效地提升液力元件功率密度，為液力元件葉柵系統構型設計提供技術指導，並為液力元件三維流動設計奠定理論基礎。
