一种基于响应面模型的小型风冷内燃机冷却风扇优化设计方法

摘要

本发明公开了一种基于响应面模型的小型风冷内燃机冷却风扇优化设计方法，通过建立响应面近似数学模型获得风扇性能参数和风扇几何结构参数之间的量化关系，运用遗传算法获取冷却风扇结构最优设计。包括：参数化设计风扇三维模型，数值分析风扇流场，获取风扇性能参数，并进行验证；选取风扇叶片几何参数为设计变量，风扇性能参数为输出结果，采用最优拉丁超立方方法进行样本采集试验设计，批量模拟分析风扇流场；根据结果数据建立响应面近似模型，以静压和流量为目标函数、静压效率为约束函数，搭建风扇多目标优化设计平台，运用非支配排序遗传算法(NSGA‑Ⅱ)对冷却风扇结构参数进行寻优分析，通过帕雷托(Pareto)解集，得到最优风扇结构设计方案。

说明书

技术领域

本发明属于小型风冷内燃机离心风扇优化设计领域，具体涉及的是一种基于响应面模型的小型风冷内燃机冷却风扇优化设计方法。

背景技术

小型风冷内燃机是广泛应用于农业机械、工程机械、园林机械、发电机组、应急救援、休闲娱乐等领域,通过空气进行冷却的内燃机，主要包括通用小型风冷汽油机与通用小型风冷柴油机。采用风冷系统的小型内燃机具有结构简单，生产、维修方便等特点。

我国小型风冷内燃机产品种类繁多，规模较大，产量稳居世界第一。但是其研制及生产方式主要以仿制、代工生产为主，产品综合性能、产品生产一致性和可靠性等与国外同类产品相比存在着较大差距，生产厂家普遍技术研发能力薄弱，产品创新能力不足，缺乏核心竞争力。

小型风冷内燃机，冷却介质直接采用空气，通常由飞轮驱动冷却风扇通过导风罩、导流板等引流装置，使冷却空气高速吹过气缸外壁及机体散热片表面，带走散出的热量实现冷却的。当前小型风冷内燃机目前普遍存在冷却系统匹配不合理，整机工作热负荷过高，散热不足，散热不均匀等问题，造成内燃机进气量减少，燃烧恶化，功率下降；热应力增大，还会使机体、缸盖等部件抗蠕变能力降低，安全性能下降，发生机体破裂等严重安全事故。冷却风扇作为冷却系统中的核心部件，优化设计风扇结构，对改善小型风冷内燃机热管理水平，提高整机性能有着重要意义。

小型风冷内燃机冷却风扇从结构上属于半开式离心风扇，与离心风机相比结构上有很大的差异，相关设计理论不能直接采用。传统上小型风冷内燃机冷却风扇大多采用经验设计，即参照样机风扇确定结构参数，设计出几种方案后再进行性能试验，确定较好的方案。由于冷却风扇几何结构参数变量多，对风扇性能影响关系复杂，经验设计很难达到最优效果，而且研制周期较长，研发费用高。近年来随着计算机技术的发展，特别是数值模拟技术与多目标优化技术的发展，为设计高性能小型风冷内燃机冷却风扇，改善发动机冷却效果，提高发动机热管理水平提供了可能。

发明内容

本发明的目的是改进现有小型内燃机冷却风扇设计方法上的不足，提供一种基于响应面模型的小型风冷内燃机冷却风扇优化设计方法。该方法采用建立数学模型来获得输出变量(风扇性能参数)和输入变量(风扇几何结构参数)之间的量化关系，通过参数化设计风扇三维模型，CFD数值模拟分析风扇流场，获取风扇静压、流量、效率等性能参数，并进行试验验证流场分析的可靠性；基于Isight优化设计平台，选取风扇叶片结构几何参数为设计变量，采用最优拉丁超立方方法进行样本点试验设计，集成风扇几何结构参数化设计与流场分析，批量模拟风扇流场，输出风扇性能参数，依据分析结果，建立响应面近似模型，建立风扇几何结构与风扇性能参数之间的关系，以静压和流量为目标函数、静压效率为约束函数，运用非支配排序遗传优化算法(简称NSGA-Ⅱ算法)对冷却风扇结构参数进行寻优探索，通过非劣解帕雷托(Pareto)解集，得到最优风扇结构设计方案。

本发明集成了参数化建模技术、流场数值模拟技术、响应面方法、遗传优化搜索技术等，能够快速、准确的建立冷却风扇性能与其结构参数之间的相互关系，精准匹配内燃机热管理系统，避免了传统内燃机冷却风扇设计方法的局限性，能有效缩短冷却风扇设计周期，降低研发成本,为小型风冷内燃机冷却风扇提供了一种有效的优化设计方法。

本发明采取的技术方案是：

步骤1，参数化设计风扇三维模型；利用CATIA三维软件基于经验公式，离心风机设计理论或逆向工程方法设计冷却风扇初始模型。

步骤2，采用ANSYS WORKBENCH软件，通过其FLUENT子模块，对风扇流场进行分析，获取风扇静压、流量、效率等性能参数；

步骤3，通过风扇性能测试平台试验测试对比模拟仿真结果，判断模拟分析的准确性；

步骤4，选取风扇进出口安装角、进口直径、叶片宽度、叶片个数等多个风扇结构参数为设计变量，采用最优拉丁超立方方法进行样本点试验设计。构建响应面近似模型需要最少样本点数由变量个数(N)和近似模型阶数来确定，一阶响应面近似模型需要N+1个样本数，二阶则至少需要(N+1)(N+2)/2次采样，三阶至少需要(N+1)(N+2)/2+N个样本点；而要得到四阶多项式，则至少要(N+1)(N+2)/2+2N个样本点。

步骤5，利用Isight优化分析平台集成风扇三维数字化设计软件CATIA与流场数值模拟软件ANSYS WORKBENCH，创建设计风扇输入变量与风扇流场分析输出结果映射关系，批量分析模拟风扇流场，输出风扇几何参数结构与风扇性能量化关系；

步骤6，基于样本点结果数据，建立响应面近似模型。响应面近似模型是通过构建多项式函数来拟合设计空间的，其中多项式系数可由最小二乘回归的方法获得，根据样本点数据建立一阶、二阶、三阶及四阶响应面近似模型多项式如下表所示：

其中

式中：Y＝[Y(X

响应面近似模型构建完成后必须对近似模型的精度进行验证，以保证近似模型的可信度。误差评价指标有：平均绝对值误差(简称AMAE)、最大绝对值误差(简称MAE)、均方根误差(简称RMSE)与决定系数R

式中：n

yi——第i个样本点的响应值；

对于AMAD、MAE和RMSE来说越接近于0，近似模型精度越高；R

步骤7，运用NSGA-Ⅱ遗传算法对冷却风扇进行优化探索，通过Pareto解集，得到最优设计方案。NSGA-Ⅱ算法是一种典型的多目标遗传算法，有较好的探索性能及优异的排序方法，方法具有启发性，易于操作而且简单通用，NSGA-Ⅱ算法的计算流程如图所示。本发明风扇优化问题以风扇静压p

步骤8，生成最终冷却风扇三维结构优化设计模型，并对最终优化结果进行试验验证。

本发明的有益效果：

(1)采用响应面模型建立风扇几何参数与风扇性能之间关系近似模型，能够精确的反映出风扇结构参数与性能之间的联系，为冷却风扇生产设计提供一定的理论依据。

(2)采用响应面模型建立风扇几何参数与风扇性能之间近似模型，避免了传统设计方法中凭经验设计，大量试验验证工作，能缩短设计周期，减少研发成本。

(3)采用响应面模型建立风扇几何参数与风扇性能之间近似模型，提高了风扇设计的精度，能提高风冷内燃机热管理水平，改善整机综合性能。

附图说明

图1，本发明一种基于响应面模型的小型风冷内燃机冷却风扇优化设计方法流程图；

图2，小型发动机冷却风扇初始设计几何结构示意图；

图3，小型发动机冷却风扇响应面误差分析示意图；

图4，NSGA-Ⅱ算法的计算流程图

图5，小型发动机冷却风扇优化设计几何结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种基于响应面模型的小型风冷内燃机冷却风扇优化设计方法，以现有一台小型风冷汽油机为例，实施流程图如图1所示，具体实施步骤包括：

步骤1，参数化设计离心风扇三维模型与风扇性能分析流场域。采用CATIA软件建立原冷却离心风扇三维模型如图2所示，包括叶盘、24个沿圆周方向均布叶片及定位柱等结构；创建小型风冷内燃机导风罩、飞轮、主轴箱、缸盖、导风板、启动杯等离心风扇主要关联部件及试验测试风筒三维模型，根据各关联部件在整机中的位置关系进行装配，提取由离心风扇、离心风扇关联部件与测试风筒共同包围的区域，建立离心风扇性能分析流场域三维模型，并保存成*.Catpart文件。

步骤2，采用ANSYS Workbench有限元综合分析软件，将离心风扇流场域三维模型文件导入到其Geometry子模块，然后通过Mesh子模块对流场域模型进行网格划分，网格划分后转入到Fluent子模块。在该模块下选取稳态分析模式，RNG k-ε湍流求解模型；设定离心风扇旋转区域为多重参考系模型(MRF)形式,设置压力进出口边界条件，风扇转速设定为发动机额定转速3600转/分钟；以风扇进口流量、进出口静压、风扇扭矩系数为参数化输出结果数据；流场求解方法采用SIMPLEC算法，数值模拟离心风扇工作流场，获取离心风扇流场进口流量、进出口静压、风扇扭矩系数等性能参数；结果经处理后得到原设计离心风扇静压Pst＝191.4Pa、流量Q＝0.087427Kg/s、风扇静压效率ηst＝14.705％

步骤3，通过风扇性能测试平台试验测试，原离心风扇在转速3600转/分钟发动机额定转速下倒拖试验中实测风扇静压Pst＝187.2Pa、流量Q＝0.086Kg/s、风扇静压效率ηst＝14.115％，模拟分析结果与试验结果误差在5％之内，分析结果可靠；

步骤4，基于Isight软件搭建风扇多目标优化设计平台，集成风扇三维数字化设计软件CATIA与数值模拟综合分析软件ANSYS Workbench。在ISIGHT软件中选择试验设计(DOE)模块，依次添加CATIA、ANSYS Workbench、Caculator等应用组件，集成CATIA、ANSYSWorkbench等应用程序。在CATIA组件中导入离心风扇流场域三维模型*.Catpart文件，解析风扇叶片进口直径D

步骤5，在试验设计(DOE)模块中，选用最优拉丁超立方方法进行样本点试验设计。选取风扇叶片进口直径D

表1.试验设计样本矩阵

步骤6，批量求解响应面近似模型样本点数据。利用Isight集成平台，通过样本矩阵，驱动离心风扇几何尺寸参数不断变化，改变离心风扇流场域分析几何模型，批量模拟不同离心风扇结构产生的风扇流场，并输出风扇几何参数结构设计变量与风扇性能之间的量化关系样本数据,最终样本点结果数据如表2所示。

表2.试验设计样本结果数据

步骤7，创建响应面近似模型，并进行模型误差分析。在ISIGHT集成软件中选择优化分析(Optimization)模块，将近似模型Approximation组件添加到该模块中，在近似模型组件中选择响应面(RSM)近似模型方法，并载入将样本点输出结果数据，以风扇叶片进口直径D

y

y

y

经误差分析风扇静压Pst、风扇进口流量Q、风扇静压效率ηst近似模型误差指标AMAD、MAE和RMSE均满足要求，决定系数R

步骤8，基于响应面近似模型，运用NSGA-Ⅱ遗传优化算法对冷却离心风扇结构设计进行寻优探索。响应面近似模型创建之后，在优化分析(Optimization)模块中，选取NSGA-Ⅱ遗传算法，计算流程如图4所示。设置NSGA-Ⅱ遗传优化参数：交叉概率为0.9，父代种群大小为40，进化的代数为200，变异分配指数为20，以风扇噪静压Pst、流量Q最大为目标，以风扇静压效率ηst不低于15％为限制条件，对冷却风扇叶片结构进行寻优探索分析，经过8000次迭代寻优，最终得到各个目标函数的Pareto非劣解集如表3所示，并选择序号6779组作为最优解，该解处风扇静压Pst＝205.8Pa、流量Q＝0.091726Kg/s、风扇效率ηst＝16.992％，分析得到风扇静压Pst提高7.525％、流量Q提高4.92％、风扇效率ηst提高2.29％。

表3.Pareto最优解集

步骤9，生成最终冷却风扇三维结构优化设计模型，如图5所示，通过优化设计叶片个数增加到27个，叶片高度、进出口安装角度等参数都进行了重新设计。经试验验证，发动机在转速3600转/分钟额定工况下，倒拖试验中实测风扇静压Pst＝201.2Pa、流量Q＝0.0906Kg/s、风扇静压效率ηst＝16.12％，实际提高分析得到风扇静压Pst提高7.47％；流量Q提高5.35％；风扇效率ηst提高2％；冷却风扇优化前实测功率3.65kw，有效燃油消耗率445g/kWh，机油温度130℃，缸盖火花塞垫片温度220℃；优化后，实测功率3.77kw，功率提升3.3％；有效燃油消耗率430g/kWh，下降3.4％；机油温度123℃，下降7℃；缸盖火花塞垫片温度185℃，下降了35℃，整机热负荷与性能得到明显改善。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。