第18卷第3期2000年9月 空 气 动 力 学 学 报 ACTA AER ODYNAMICA SINICA V ol.18,N o.3Sep.,2000收稿日期:1999205226;修订日期:1999211217. 基于遗传算法的翼型气动优化设计 王晓鹏,高正红 (西北工业大学,西安710072) 摘要:采用遗传算法进行跨声速翼型的反设计与阻力和升阻比的优化设计。翼型的反 设计达到了设计要求,优化设计后的翼型其气动特性也有显著的改善,这表明了遗传算法应 用于翼型气动优化设计的可行性。在优化设计的过程中,翼型由解析函数线形叠加法表示, 目标函数和个体的适应值由二维欧拉方程的流场解来提供。 关键词:翼型;遗传算法;气动优化设计;欧拉方程 中图分类号:V21111 文献标识码:A 文章编号:025821825(2000)0320324206 0 引 言 遗传算法是一种基于达尔文自然选择和进化规则的优化搜索方法。该方法通过模拟自然界生物适者生存、优胜劣汰的遗传法则使解的性能逐步趋优。它无需传统优化方法对搜索空间的苛刻要求,因而具有极强的鲁棒性。此外,采用遗传算法进行优化设计时,仅用到个体的目标函数值,不要求函数具有连续性和可导性,因此特别适合处理复杂的工程优化问题[1,2]。 本文应用遗传算法对跨声速翼型进行优化设计。首先进行翼型的反设计,使优化设计的翼型具有预先给定的压力分布,以验证优化设计方法和程序的正确性和有效性;然后优化翼型形状,使其在给定的约束条件下具有最小的阻力或最大的升阻比。 1 遗传算法 基于遗传算法的气动优化设计是由模拟生物的进化过程演变而来的一种飞行器外形设计方法。它是通过遗传算法中复制、杂交和变异算子的操作来实现的。复制是进化个体经过赌盘选择,使父代的优良个体以较大的概率在子代中得到继承的遗传过程。杂交是指父代中的个体随机的交换染色体中的基因而在子代中产生新的个体。变异是个体染色体中的基因以变异概率发生随机性改变的过程。可见,杂交和变异使后代中产生新个体,复制使父代的基因在子代中得以继承,从而使生物物种在继承的基础上不断进化。 采用简单遗传算法[3]进行优化设计时,需要确定设计变量及其变化范围,在此基础上对所有父代个体进行二进制编码,编码后的个体经过复制、杂交和变异算子的作用产生进化的子
发动机配气机构发展综述 张正有 （重庆工学院汽车学院200246班22号） 【内容摘要】：本文论述了发动机配气机构的发展进程，阐述了可变技术在配气机构中的发展和应用，对迄今已有的发动机气门驱动机构进行了分类介绍，总结了不同气门驱动机构的结构、工作原理和优缺点。并指明了配气机构今后的发展方向。 【关键词】：发动机配气机构可变技术驱动机构 Development Overview of Valve-train of Engine Zhang zheng-you (Chongqing Institute of Technology；Automobile college 20024622) 【Abstract】: This text discussed development progress of valve-train of engine and variable technique be using in the field. In addition, classifications and detail introductions were made for the valve actuators of automotive engine. The structures, fundamentals and advantage of the different actuators were summed up. In the end, further investigations in the future wre put forwards. 【Key word】: engine； valve train； variable technique； valve actuators 0 前言 伴随着社会经济的发展，人类生活水平的提高，我们对生活质量也提
文献综述 题目 168F汽油机设计——配气机构 二级学院车辆工程学院 专业能源与动力工程 班级 112040601 学生姓名彭元平学号 11204060117 指导教师屈翔职称副教授 时间 2016-3-20
摘要： 配气机构作为内燃机的重要组成部分其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。本文综述了汽油机配气机构的发展现状，论述了对配气机构优化设计的必要性，阐述了发动机配气机构优化设计的发展方向。 关键词：配气机构、凸轮型线、配气相位、气门弹簧。 Abstract： As important part of the internal combustion engine, valve mechanism with right design is a must, for it is directly relevant to power, economic performance, emission performance, reliability and durability of the internal combustion engine. This paper reviewed the gasoline engine valve mechanism from the aspects of the state-of-the-art and the necessities of its optimization design, and set forth the development of engine valve mechanism optimization design. Key words：Air distribution mechanism Cam type line Gas distribution phase Valve spring 1.前言 配气机构是汽油机最重要的组成部分它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工作次序，定时的开启和关闭进、排气门，以保证换气充分。一台汽油机的工作是否稳定可靠[1]，噪声与振动是否控制在较低的水平，都与其配气机构设计合理的是密不可分的。配气机构要使各气缸都保持换气良好的状态，使充气系数尽可能的提高，按照工作的需要，科学的开启与关闭进气门和排气门。 随着人们的需求，发动机的设计趋于高速化、高功率化。人们对其性能的要求也越来越高，配气机构作为发动机的配给系统，很大程度的决定了发动机的优劣[2]。所以想要提高发动机的性能，配气机构的优化设计也是必不可少的。随着前人的不断积累，配气机构的供给能力及结构形式都发生了很多改观，下面我将介绍配气机构的发展现状及主要优化形式。 2.凸轮型线的优化 内燃机配气凸轮机构是由配气凸轮驱动的，所以配气机构的这些性能指标在很大程度上取决于配气凸轮的结构。尤其是当发动机转速提高以后，凸轮型线设计的好坏对发动机的充气性能和动力性能的影响更大[3]。最近，海马轿车有限公司的王艳芳、王少辉[4]等汽车工程师做了相应的实验，他们选择了三种不同型线的进气凸轮轴和同
第33卷 第1期2004年3月 热力透平 THER M A L T UR BI NE Vol.33No.1 Mar.2004透平叶片的气动优化设计系统 袁 新1,林智荣1,赖宇阳2,陈志鹏1 (1.清华大学热能工程系,北京100084;2.赛特达科技有限公司,北京100080) 摘 要: 发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合:前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法,已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析,并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系;后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台,通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。 关键词: 蒸汽透平;CFD;气动优化设计 中图分类号:T K263.3 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2004)01-0008-06 Aerodynamic Optimization System for Turbine Blade Design Y UA N Xi n1,L IN Zhi2rong1,L A I Y u2yang2,CHEN Zhi2peng1 (1.Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China; 2.Sightna Corporation,Beijing100080,China) Abstract: An aerodynamic optimization system for the hybrid three2dimensional blade design,coupled with com2 putational fluid dynamic analysis and integrated optimization algorithms,was developed in Tsinghua University.The higher2order accurate robust CFD method has been utilized for develo pment of steam turbine blade flow analysis,its dependability has been validated by comparing the numerical results with model turbine test data.The h ybrid three2 dimensional optimization method based on iSIGHT commercial software has been develo ped for turbine blade design. The overall technical integration is starting to be used for further design optimizations and efficiency enhancement of steam turbines. K ey w ords: steam turbine;CFD;aerodynamic optimization design 1 三维粘性杂交问题的气动优化设计 蒸汽轮机是现代发电行业的核心动力机械之一。蒸汽透平的效率越高,其气动损失水平就越低,对环境的污染也就越小。为了提高透平叶片的设计水平以便能最大限度地提高其热效率,我们必须深入全面准确地了解透平内部的全工况流动状态,尽可能采用高精度的计算流体力学(CFD)分析手段来发展蒸汽透平叶片的气动优化设计方法。 近年来,清华大学与国内外蒸汽轮机制造厂家合作,在发展蒸汽透平通流部分设计方面开展了一些共同的研究,尤其在蒸汽透平叶片的流动分析与叶片气动优化设计技术方面开展了深入的研究工作。这主要源于两方面的原因:其一是我们在高精度的数值分析技术方面提出了独具特色的方法[1],不仅用于流动损失机理的研究,还将其作为一个强有力的分析工具纳入到了叶片气动优化设计体系;其二是我们将近年来发展起来的各种先进的优化技术与我们的分析技术耦合起来[2],由此生成了叶片三维粘性杂交问题气动优化平台。 图1显示了叶片全三维粘性杂交问题气动优化平台的要素框图。对于二维叶型成型,采用了非均匀有理B样条(Non2Uniform Rational B2 Splines)技术(简称NU RBS技术)进行叶片的参 收稿日期:2003-09-20 基金项目:国家重点基础研究发展规划(G1999022306)、国家自然科学基金(50076019)资助项目 作者简介:袁新(1956-),男,工学博士,清华大学教授,博士生导师,主要从事叶轮机械气动热力学、计算流体力学与现代优化设计、燃气轮机与蒸汽轮机技术等研究;目前主持有国家自然科学基金、国家973、国家863、航空领域、国际合作等项目及课题。
单元三配气机构 一、填空题 1．充气效率越高，进人气缸内的新鲜气体的量就__多_____，发动机研发出的功率就__高____。 2．气门式配气机构由__气门组___ 和___气门传动组______组成。 3．四冲程发动机每完成一个工作循环,曲轴旋转__2___周，各缸的进、排气门各开启 ___1____ 次,此时凸轮轴旋转___1___周。 4．气门弹簧座是通过安装在气门杆尾部的凹槽或圆孔中的___锁片____或___锁块____ 固定的。 5．由曲轴到凸轮轴的传动方式有下置式、上置式和中置式等三种。 6．气门由__头部___和___杆身____两部分组成。 7．凸轮轴上同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置与既定的___配气相位____相适应。 8．根据凸轮轴___旋向_____和同名凸轮的____夹角____可判定发动机的发火次序。 9．汽油机凸轮轴上的斜齿轮是用来驱动__机油泵___和__分电器____的。而柴油机凸轮轴上的斜齿轮只是用来驱动___机油泵____的。 10．在装配曲轴和凸轮轴时,必须将___正时标记____对准以保证正确的___配气相位__。 二、判断题 1．充气效率总是小于1的。( √) 2．曲轴正时齿轮是由凸轮轴正时齿轮驱动的。( X) 3．凸轮轴的转速比曲轴的转速快1倍。( X) 4．气门间隙过大，发动机在热态下可能发生漏气，导致发动机功率下降。( √) 5．气门间隙过大时，会使得发动机进气不足，排气不彻底。( √) 6．对于多缸发动机来说，各缸同名气门的结构和尺寸是完全相同的，所以可以互换使用。( X) 7．为了安装方便，凸轮轴各主轴径的直径都做成一致的。( X) 8．摇臂实际上是一个两臂不等长的双臂杠杆，其中短臂的一端是推动气门的。 ( X) 9.非增压发动机在进气结束时，气缸内压力小于外界大气压。（X） 10.发动机在排气结束时，气缸内压力小于外界大气压。（X）
优化设计的概念和原理 优化设计的概念和原则 概念 1前言 对于任何设计者来说，其目的都是为了制定最优的设计方案，使所设计的产品或工程设施具有最佳的性能和最低的材料消耗和制造成本，以获得最佳的经济效益和社会效益。因此，在实际设计中，科技人员往往会先提出几种不同的方案，并通过比较分析来选择最佳方案。然而，在现实中，由于资金限制，选定的候选方案的数量往往非常有限。因此，迫切需要一种科学有效的数学方法，于是“优化设计”理论应运而生。 优化设计是在计算机广泛应用的基础上发展起来的新技术。这是一种现代设计方法，它根据优化原理和方法将各种因素结合起来，在计算机上以人机合作或“自动探索”的方式进行半自动或自动设计，以选择现有工程条件下的最佳设计方案。其设计原则是优化设计:设计手段是电子计算机和计算程序；设计方法是采用最优化数学方法。本文将简要介绍优化设计中常用的概念，如设计变量、目标函数、约束条件等。 2设计变量 设计变量是独立参数，必须在设计过程的最终选择中确定它们是选择过程中的变量，但是一旦确定了变量，设计对象就完全确定了。优化设计是研究如何合理优化这些设计变量值的现代设计方法。
机械设计中常用的独立参数包括结构的整体构型尺寸、部件的几何尺寸和材料的机械物理性能等。在这些参数中，根据设计要求可以预先给出的不是设计变量，而是设计常数。最简单的设计变量是元件尺寸，例如杆元件的长度、横截面积、弯曲元件的惯性矩、板元件的厚度等。 3目标函数 目标函数是设计中要达到的目标在优化设计中，所追求的设计目标(最优指标)可以用设计变量的函数来表示。这个过程被称为建立目标函数。一般目标函数表示为 f(x)=f(xl，xZ，？，x) 此功能代表设计的最重要特征，如设计组件的性能、质量或体积以及成本。最常见的情况是使用质量作为一个函数，因为质量的大小是最容易量化的价值度量。尽管费用具有更大的实际重要性，但通常需要有足够的数据来构成费用的目标函数。目标函数是设计变量的标量函数。优化设计的过程就是优化设计变量，使目标函数达到最优值或找到目标函数的最小值(或最大值)的过程。在实际工程设计过程中，经常会遇到多目标函数的某些目标之间存在矛盾，这就要求设计者正确处理各目标函数之间的关系目前，对这类多目标函数优化问题的研究还没有单目标函数的研究成熟。有时一个目标函数可以用来表示几个期望目标的加权和，多目标问题可以转化为单目标问题来求解。4约束 设计变量是优化设计中的基本参数。目标函数取决于设计变量。在
第５２卷第１期２０１０年２月 汽轮机技术 ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖ０１．５２Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１０压气机叶片多工况气动优化设计研究 孙晓东１，韩万金２ （１哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨１５００４６；２哈尔滨工业大学，哈尔滨１５０００１） 摘要：采用数值优化方法对跨声速压气机转子叶片进行了多工况气动优化设计，并对设计前后的几何形状、总体性能及流场的变化进行了详细的分析对比。结果表明，压气机转子前缘激波后掠可以有效地降低损失。优化后叶片的变工况性能非常好。各个工况点的质量流量基本不变，并且叶片稳定工作范围有所扩大。 关键词：压气机；多工况；激波；质量流量 分类号：Ｖ２３２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－５８８４（２０１０）０１－００２４－０３ ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＭｕｌｔｉｐｌｅＬｏａｄｉｎｇＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ ｏｆｔｈｅＢｌａｄｅｏｆＴｒａｎｓｏｎｉｃＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ＳＵＮＸｉａｏ．ｄｏｎ９１。ＨＡＮＷａｎ－ｊｉｎ２ （１ＨａｒｂｉｎＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４６，Ｃｈｉｎａ；２ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＮｕｍｅｒｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎＷａｇｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｏｆｔｒａｎｓｏｎｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ．Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｇｅｏｍｅｔｒｙ，ｏｖｅｒａｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｓｈｏｃｋｗａｖｅｓｗｅｅｐｂａｃｋｃｏｕｌｄｒｅｄｕｃｅｌｏｓｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｇｏｏｄ．Ｍａｓｓｆｌｏｗｏｆｅａｃｈｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｔｈｅｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｂｌａｄｅｅｎｌａｒｇｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｍｕｌｔｉｐｌｅｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；ｓｈｏｃｋｗａｖｅ；ｎｌａｓｓｆｌｏｗ ０前言 在叶轮机械的优化设计中有一个不得不考虑但却难于实现因而很少被考虑的问题，那就是多工况点的气动优化设计问题¨Ｊ。一台好的风扇／压气机必须具有良好的变工况性能，具有较高的喘振裕度。２ｏ。从单工况点优化结果来看，所优化叶片的变工况性能是不确定的，有可能改进也有可能降低，因此优化叶片在实际工程中的应用就受到一定程度的影响。这进一步说明多工况点同时优化是必要的也是必需的。目前，有关采用数值优化方法进行多工况点设计的公开发表的文献还不多见，因此本文以ＮＡＳＡＲｏｔｏｒ３７为例，尝试进行多工况点优化设计。 １优化设计方案应面模型，以两个工况点的绝热效率最大为目标，同时对各自工况点的总压比与质量流量加以约束，变化范围不超过０．５％。 １．２网格结构划分 本文采用简单代数法生成常规Ｈ型网格。图ｌ给出了网格结构示意图。 １．１优化方案 在数学上来讲，多工况点的优化问题与多目标优化问题 类似，分别在两个工况点进行响应面模型的建立，然后进行 优化设计。本文选取ＮＡＳＡＲｏｔｏｒ３７动叶前缘积迭线为对象 尝试进行多工况的气动优化设计。同时考虑尖峰效率点与图１ＮＡＳＡＲｏｔｏｒ３７计算网格示意图 近失速点两个工况，设计变量与上文相同。采用ＩＨＳ方法生１．３边界条件 成的样本分别在两个工况点进行流场计算，然后对两个工况对ＮＡＳＡＲｏｔｏｒ３７的数值模拟也是在设计转速下进行。点的质量流量、总压比、绝热效率分别进行回归分析，建立响边界条件的取法为：进口给定总压和总温，绝对速度方向为 收稿日期：２００９—１０?１９ 作者简介：孙晓东（１９７３?）男，工程师，现主要从事叶轮机械设计营销工作。 万方数据
一.配气凸轮优化设计 1.1配气凸轮结构形式及特点 配气凸轮是决定配气机构工作性能的关键零件，如何设计和加工出具有合理型线的凸轮轴是整个配气系统设计中最为重要的问题。对内燃机气门通过能力的要求，实际上就是对由凸轮外形所决定的气门升程规律的要求，气门开启迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧、机构动力特性变差。因此，对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应该观察所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决发动机配气凸轮外形的设计也就是对凸轮从动件运动规律的设计。从动件升程规律的微小差异会引起加速度规律的很大变动，在确定从动件运动规律时，加速度运动规律最为重要，通常用其基本工作段运动规律来命名，一般有下面几种： 1.1.1等加速凸轮 等加速凸轮的特点是其加速度分布采取分段为常数的形式，其中又可分为两类，一类可称为“正负零型”，指其相应的挺柱加速度曲线为正—负—零：另一类可称“正零负型”，指其加速度曲线为正一零一负。当不考虑配气机构的弹性变形时，对最大正负加速度值做一定限制且在最大升程、初速度相同的各种凸轮中，这种型式的凸轮所能达到的时面值最大。等加速型凸轮常常适用于平稳性易保证，而充气性能较差的中低速柴油机中。但就实际情况而言，配气机构并非完全刚性，等加速凸轮加速度曲线的间断性必然会影响机构工作平稳性，在高速内燃机中一般不采用等加速型凸轮[9]。 1.1.2组合多项式型 组合多项式型凸轮的基本段为一分段函数，它由几个不同的表达式拼接而成。通过调整各段所占角度及函数方程，获得不同斜率的加速度曲线。组合多项式型凸轮时面值大，而且能够方便地控制加速度变化率及确保正、负加速段间的圆滑过渡，可以较好地协调发动机充气性能及配气机构工作平稳性的要求[7]。由于凸轮从动件运动规律由若干函数组成，在各段间联结点处不易保证升程规律三阶以上导数的连续性，可能会影响配气机构工作的平稳性，组合多项式型凸轮主要应用在要求气门时面值大和较好动力性能的情形。 1
翼型多目标气动优化设计方法 王一伟钟星立杜特专 （北京大学力学与工程科学系，北京 100871） 摘要本文将数值优化软件modeFRONTIER同计算流体力学（CFD）软 件相结合，对NACA0012翼型的气动性能进行优化。计算采用N-S方程作 为主控方程以计算翼型气动性能，分别采用多目标遗传算法（MOGA）和多 目标模拟退火算法（MOSA）作为翼型的气动性能优化算法。计算结果表明， 优化后的翼型相对于优化前的翼型的气动性能有很大提高（升阻比增幅可达182％）。 关键字气动优化设计多目标NS方程遗传算法模拟退火算法 Abstract: The combination of the optimization software, modeFRONTIER, and the commercial CFD software is used to optimize the aerodynamic functions of the airfoil, NACA0012.The NS equations are adopted for calculating the airfoil aerodynamic properties (Cl, Cd and etc). Two kinds of optimization algorithm, the Multi-Object Genetic Algorithm(MOGA) and the Multi-Object Simulated Annealing(MOSA), are used in the optimization process respectively. The optimized airfoils show remarkable improvement of its aerodynamic functions (The ratio of lift to drag increases up to 282%) relative to its original one. Key words Aerodynamic Optimization Design, NS Equation, Genetic Algorithm, Simulated Annealing 一、研究背景 翼型的气动力设计是现代飞机设计的核心技术。对于某种原始翼型，使用者往往要求改善其气动力参数（升阻力系数，升阻比等）以提高飞机性能。从已有的大多数算例来看，设计中有两个比较关键的因素[8]： 一，优化算法的选择对最终优化结果具有决定性影响。数值优化方法（Numerical Optimization Method）是与反设计法[9]、余量修正法以及基于现代控制理论方法的气动设计法等方法相并列的一种优化算法。该方法大致可以分为两类[2，6]。第一类是采用一种先后顺序搜索的方式的确定性算法，优点是在少参量时优化搜索速度快，可获得高精度的解，缺点是容易陷入局部最优，计算次数随参量增多而迅速增加。另一类是基于全局搜索的随机性算法。该方法不受搜索空间的限制，不要求诸如连续性、单峰性等假设，比较容易达到全局最优解，但是搜索所耗费的时间相对较长[7]。 二，数值计算的精确性是能够得到准确优化结果的前提条件。数值模拟在工业技术、国防军事以及科学研究中，已经成为一种重要手段。相对于传统的实验方法，数值计算具有很多优点，如节省费用，分析速度快，能给出详细完整的资料，可以不受物理条件限制来模拟真实条件等。目前计算流体力学（CFD）在空气动力学方面起到了越来越重要的作用。CFD可以准确的计算出不同攻角和马赫
第1章优化设计的基本概念及相关理论 ● 1.1 概述 ● 1.2 优化设计的基本要素和数学模型 ● 1.3 多元函数的基本性质 ● 1.4 无约束优化问题的极值条件 ● 1.5 约束优化问题的极值条件 1.1 概述 ●优化设计的概念？ ●优化设计是20 世纪60 年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算 技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。 ●优化设计方法的发展？ ●传统设计方法只是被动地重复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数。 作为一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案。 虽然设计中的优化思想在古代设计中就有所体现，但直到直至20 世纪60 年代，电子计算机和计算技术的迅速发展，优化设计才有条件日益发展起来。 ●优化设计方法的发展？ ●现代化的设计工作已不再是过去那种凭借经验或直观判断来确定结构方案，也 不是像过去“安全寿命可行设计”方法那样，。而是借助电子计算机，应用一些精确度较高的力学的数值分析方法（如有限元法等）进行分析计算，并从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算，用优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。 ●优化设计方法的发展？ ●近年来，优化设计在汽车设计中的应用也愈来愈广，汽车零部件的优化设计， 各系统的优化匹配等在近十几年也有很大发展，各种减速器的优化设计、万向传动和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的结构参数优化等都得到了广泛研究。 另外，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD) ，在引入优化设计方法后，使得在设计过程既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可以加快设计速度，缩短设计周期。把优化设计方法与计算机辅助设计洁合起来，使设计过程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化问题示例 图为由两根钢管组成的对称桁架。A处垂直载荷P=300000N，2L=152c m，空心钢管厚度T=0.25c m，材料弹性模量E=2.16X107N/c m2，屈服极限σs=70300N/c m2。 求：在满足强度条件和稳定性条伴下，使体积最小的圆臂直径d和桁架高度H。
毕业设计说明书配气机构的设计 姓名: 所属院校： 专业: 班级: 学号: 指导教师：
目录 概述 1、配气机构的功用 (6) 2、配气机构的设计要求 (6) 3、配气机构计算参数的确定 (7) 一、凸轮轴的设计： 1、凸轮轴的设计要求 (7) 2、凸轮轴的结构 (7) 3、凸轮轴的选材 (7) 4、凸轮轴的支承轴颈轴承的材料 (7) 5、凸轮轴的定位方式 (7) 6、凸轮轴的最小尺寸定位方式 (7) 7、凸轮轴的热处理工艺......................................................................................... (8) 8、凸轮轴的损坏形 式......................................................................................... (8) 9、凸轮轴的计算
........................................................................................ (9) 二、凸轮的设计 1、凸轮设计的要 求 (10) 2、凸轮基圆设计 (11) ①基圆半径的确定......................................................................................... (13) ②凸轮位置的确 定......................................................................................... (13) ③配气相位与凸轮的作用 角......................................................................................... (14) ④凸轮顶部的圆弧半 径......................................................................................... (14) 三、挺柱的设计 1、挺柱的结构 (10) 2、挺柱的材料 (15) 3、平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力的计算 (16) 4、平面挺柱的最大速度......................................................................................... (16) 5、凸轮与挺柱间接触应力的计算
文档编号 版本 发布日期发动机配气机构计算分析流程 编制：日期： 校对：日期： 审核：日期： 批准：日期：
目 录 1 参数定义 (3) 2 配气机构计算分析和优化流程框图 (7) 3 过程实施 (9) 3.1 AVL-workspace-TYCON软件介绍 (9) 3.1.1简介 (9) 3.1.2 AVL-Workspace Tycon的应用 (9) 3.1.3 AVL-Workspace Tycon主要菜单和主要模块介绍 (9) 3.2配气机构评价指标 (12) 3.2.1 运动学分析和评价 (12) 3.2.2 动力学分析和评价 (15) 3.3配气机构运动学动力学TYCON模型建立 (15) 3.4 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 (16) 3.4.1凸轮型线及配气机构运动学分析界面的进入 (16) 3.4.2 Cam Design界面中数据的输入 (17) 3.4.3 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 (20) 3.5 配气机构动力学分析 (21) 3.5.1动力学模型的文件和目录说明 (21) 3.5.2仿真计算、参数设置和结果控制 (22) 3.5.3动力学计算后处理 (24) 3.6 配气机构改进和优化 (25) 3.6.1 凸轮型线优化设计流程及界面 (26) 3.6.2 缓冲段设计 (26) 3.6.3 工作段设计 (29) 3.6.4 新凸轮型线的分析 (33) 致谢 (34)
1 参数定义 发动机配气机构计算分析所需参数如表1所示。 表1.1 发动机配气机构计算参数表 单元名称参数单位 旋转激励单元转速输入方式的选择 转速值 rpm或者rad 有无转速波动 凸轮单元基圆半径 mm 型线数据与实际位置偏移角度 deg 凸轮转角转转系数 凸轮升程数据单位与米的转换关系 凸轮型线数据类型 凸轮型线数据 凸轮轴承单元Y方向刚度 N/mm Z方向刚度 N/mm Y方向阻尼 N.s/mm Z方向阻尼 N.s/mm 机油动力粘度 N.s/mm2 相对间隙 轴瓦直径 mm 轴承宽度与轴瓦直径比值 带轮和链轮单元质量 t 转动惯量（扭转） t.mm2 转动惯量（弯曲） t.mm2 相对阻尼 杨氏模量 N/mm2 剪切模量 N/mm2 中截面面积 mm2 质心到第一轴距离 mm 剪切面积率 惯性矩（扭曲） mm4 惯性矩（弯曲） mm4 带的预紧力 N 传动力 N 带的阻尼 N.s/mm 带轮有效半径 mm 带刚度 N/mm 配气相位单元发火次序 deg 载荷数据时间偏移量 s 凸轮中心到接触点的距离矢量 mm
485柴油机设计（配气机构） 摘要 本设计介绍了485柴油机配气机构的设计，主要是其各零部件的设计。本次设计的485柴油机主要用于轻型载货车。 配气机构的功用就是实现换气过程，即根据发动机气缸的工作顺序，定时的开启和关闭进排气门，以保证气缸排出废气和吸进新鲜空气。配气机构设计的好坏直接影响发动机整体的经济性和动力性，因此配气机构的设计在发动机整体设计上占有相当重要的作用。在气门选择上，采用每缸两个气门的方案，其优点是比较简单、可靠，对于自然吸气式柴油机可以提高新鲜空气的进气量，降低气缸的热负荷，增加气缸的耐久性和使用寿命。气门的驱动采用凸轮轴—挺柱—推杆—摇臂—气门机构。凸轮轴布置形式是下置式，采用的是整体式凸轮轴，这样的凸轮轴结构简单，加工精度高，能有良好的互换性。 本次配气机构的设计，主要包括进、排气门的设计，气门弹簧的设计，以及凸轮轴的设计。编写Matlab程序，计算得到挺柱升程表，绘出挺柱升程、速度、加速度曲线。 关键词：柴油机，配气机构，凸轮轴，气门
THE DESIGN OF VALVE TIMING MECHANISM OF 485 DIESEL ENGINES ABSTRACT This thesis introduces the design of valve timing mechanism of 485 diesel engines, mainly the design of its various components. The 485 diesel engine in this design is mostly used in light truck. The function of valve timing mechanism is to realize the exchange process, namely according to engine cylinder working order, ensure that the intake and exhaust valves open and close at the proper time. The valve gear play a direct impact on the economy and power parameters of the engine, therefore, the design of gas distribution agency in the overall design of the engine play a rather important role. Arranging two-valve per cylinder, the advantages are that it is relatively simple, reliable, for the naturally aspirated diesel engines can improve the fresh air into the cylinder, reduce the heat load of the cylinder to increase the durability of the cylinder and use life. The driving mechanism of valves is camshaft, tappet, pushrod, rocker, valve train. Camshaft arrangement is under the form of home-style, using the integral camshaft, such camshafts have simple structure, high precision machining, and good interchangeability. This design, including exhaust valve, intake valve, valve spring, and camshaft. Write Matlab program, calculate tappet lift table, map the curves of tappet lift, speed and acceleration. KEY WORDS: Diesel engine, Valve timing mechanism, Camshaft, Valve
汽车内燃机配气机构的优化设计 摘要 配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。 关键词：内燃机；配气机构；凸轮型线；优化设计
ABSTRACT The valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine. Key words:Internal combustion engine; Valve train; Cam profile; Optimal design
1 最优化设计的基本概念 最优化就是追求最好结果或最优目标，从所有可能方案中选择的最合理的一种方案。在进行工程设计、物资运输或资源分配等工作中，应用最优化技术，可以帮助我们选择出最优方案或作出最优决策。目前，最优化方法在工程技术、自动控制、系统工程、经济计划．企业管理等各方面都获得了广泛应用。 最优化设计是从可能设计中选择最合理的设计，以达到最优目标。搜寻最优设计的方法就是最优化设计法，这种方法的数学理论就是最优化设计理论。 最优化设计方法是现代设计方法的一种。微积分中遇到的函数极值问题是最简单的最优化问题。 I.1函数的极值 最简单的最优化设计问题，就是微积分中的求函数极值问题。它是应用数学的一个分支，已渗透到科学、技术、工程、经济各领域。 例1.1边长为a的正方形钢板，设计制成正方形无盖水槽，如图：1.1所示，在四个角处剪去相等的正方形，如何剪法使水槽容积虽大？ 解：设剪去的正方形边长为x，与此相应的水槽容积为 解出两个驻点x=a/2和x=a/6 第一个驻点没有实际意义。现在判别第二个驻点是否为极大点。因为 V"(X=a/6)=-4a<0 说明x=a/6的驻点是极大点。 结论是，每个角剪去边长为a／6的正方形可使所制成的水槽容积最大。一般记为Max V（x）。 例1.2图1.2所示的对称两杆支架，由空心圆管构成。顶点承受的荷载为2P，支座间距为2L，圆管壁厚为6。设密度为P，弹性模量为E，屈服极限为(T。问如何设计圆管平均直径d 和支架高度H，使支架的重量最轻？ 解：以圆管平均直径d和支架高度H为两个未知变量。支架总重量的数学表达式为 W(H.d)= 2B pbd 最轻支架重量w，一般记为mix W。 式(1.2)中变量d和H还必须满足以下条件： 图1.1正方形钢板图I 2两杆支架 (1)圆管的压应力小于或等于压杆稳定临界应力Φcr。由材料力学可知，压杆稳定的临界应力为 由此得稳定约束条件 (2)圆管压应力小于或等于材料的屈服极限Φy，由此得强度约束条件