CN108614925A

CN108614925A - 一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法

Info

Publication number: CN108614925A
Application number: CN201810316394.XA
Authority: CN
Inventors: 王尚学; 陈晋兵; 董江峰; 牛海杰; 张志军; 仲蕾; 许文燕; 王国莹; 邓玉林
Original assignee: China North Engine Research Institute Tianjin
Current assignee: China North Engine Research Institute Tianjin
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2018-10-02

Abstract

本发明提供一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，包含如下步骤：1)发动机一维性能仿真模型的建立和修正；2)进气系统参数特征参数的提取和设置；3)特征参数的DOE设计；4)仿真模型的运行设置和迭代计算；5)回归计算确定关于特征参数的性能目标函数；6)根据目标函数的影响度因子确定特征参数的敏感性。本发明具有的优点和积极效果是：可以快速而合理地确定某单一性能目标对进气系统特征参数的敏感性，针对敏感性较高的特征参数进行优化，可以更好地指导进气系统的结构设计，有效提高研制效率，缩短研制周期，节约研制成本。

Description

一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法

技术领域

本发明属于内燃机设计技术领域，尤其是涉及一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法。

背景技术

进气系统是发动机的主要系统，进气管路结构参数的变化会影响其自身的流动特性，进而影响进气系统与整机的性能匹配效果。因此，合理的进气系统特征参数成为发动机总体性能表现的关键因素，尤其对于增压发动机而言，进气系统结构参数的确定和优化更是设计工作的重点。

增压发动机进气系统所包含的结构参数较多，使得进气系统的结构设计工作变得十分繁杂。然而，进气系统各个特征参数对整机性能的影响程度不尽相同。有些参数的改变几乎不会影响总体性能，在设计中完全可以忽略，而有些参数却会极大地影响整机性能，应该作为进气系统结构设计的关键参数。

为此，提出了一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，通过该方法可以确定影响整机性能的关键参数，通过对关键参数的调整即可实现总体性能优化的目的，进而缩短设计周期，提高设计效率，降低设计成本，更好地指导进气系统的结构设计。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，能够在发动机进气系统的设计阶段对特征参数的敏感性做出评价，可以更好地指导进气系统的结构设计及与整机的性能匹配。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，包含如下步骤：

1)发动机一维性能仿真模型的建立和修正；

2)进气系统特征参数的提取和设置；

3)特征参数的DOE设计；

4)仿真模型的运行设置和迭代计算；

5)通过回归计算确定关于特征参数的性能目标函数；

6)根据性能目标函数的影响度因子确定特征参数的敏感性。

步骤1)中所述的发动机一维性能仿真模型的建立和修正为建立发动机各个组成部分的模型，包括环境模型、增压器模型、中冷器模型、进气系统模型、排气系统模型、气缸模型、喷油器模型、曲轴箱模型、燃烧模型、传热模型、摩擦模型等，之后再根据试验数据对仿真模型进行修正，包括对功率、扭矩、有效燃油消耗率、空气流量、缸内压力的计算值与试验值的校核，二者偏差控制在5％以内。

步骤2)中所述的进气系统参数特征参数的提取和设置，提取的特征参数包括进气节流阀开度、压气机与中冷器连接管的直径、压气机与中冷器连接管的长度、中冷器与稳压腔连接管的直径、中冷器与稳压腔连接管的长度、稳压腔的当量直径、进气歧管的直径共7个特征参数，之后对每个参数设置基准值X₀、最小值Min(X_i)、最大值Max(X_i)和步长Δ。

步骤3)中所述的特征参数的DOE设计，采用Latin Hypercube方法对特征参数进行试验设计，得到不同特征参数组合的数据。

步骤4)中所述的模型的运行设置包括对仿真时间的控制、求解格式、壁温、摩擦流动求解控制、收敛控制和输出参数的控制，之后对模型进行运行计算。

步骤5)中所述的回归计算确定关于特征参数的性能目标函数，通过线性回归方法对仿真结果中各组特征参数组合所对应的性能计算结果进行拟合，得到关于特征参数的性能目标函数：

其中i＝1，2，3，4，5，6，7

步骤6)中所述的根据目标函数的影响度因子β确定特征参数的敏感性。

本发明具有的优点和积极效果是：

可以快速而合理地确定某单一性能目标对进气系统特征参数的敏感性，针对敏感性较高的特征参数进行优化，可以更好地指导进气系统的结构设计，有效提高研制效率，缩短研制周期，节约研制成本。

附图说明

图1是本发明的步骤流程图；

图2是本发明实施例性能目标对特征参数的影响效应图；

图3是本发明实施例整机输出功率对特征参数的影响度因子β图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

本发明所述的一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，是基于计算机仿真和DOE设计得到的，能够更好地指导进气系统的结构设计及与整机的性能匹配。核心思想是：首先建立发动机一维性能仿真模型，然后根据试验数据对模型进行修正，使关键性能指标的计算值与试验值相吻合，以保证模型预测结果的置信度；之后提取所有的进气系统特征参数，同时在每个特征参数基准值的基础上进行数据设置并进行DOE设计；通过模型的运行计算得到各组特征参数所对应的整机性能指标，应用线性回归分析法确定关于各特征参数变化的性能目标函数，进而得到性能目标对特征参数的影响效应和影响度因子β，最后根据|β|确定所提取特征参数的敏感性。

如图1所示，本发明所述的一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法包括以下步骤：

S1：发动机一维性能仿真模型的建立和修正；

S2：进气系统特征参数的提取和设置；

S3：特征参数的DOE设计；

S4：仿真模型的运行设置和迭代计算；

S5：回归计算确定关于特征参数的性能目标函数；

S6：根据目标函数的影响度因子确定特征参数的敏感性。

所述步骤S1的发动机一维性能仿真模型可采用GT-POWER商业软件建立，具体地包括下述步骤：

S1-1：建立发动机各个组成部分的模型；

S1-2：初步建立GT-POWER发动机性能仿真模型，建立发动机各个组成部分的模型，包括环境模型、增压器模型、中冷器模型、进气系统模型、排气系统模型、气缸模型、喷油器模型、曲轴箱模型、燃烧模型、传热模型、摩擦模型等；

S1-3：根据试验数据对初步性能仿真模型进行修正，包括对功率、扭矩、有效燃油消耗率、空气流量、缸内压力的计算值与试验值的校核，二者偏差控制在5％以内；获得具有一定置信度(5％)的整机性能仿真模型。

所述步骤S2的特征参数的提取，提取的特征参数包括进气节流阀开度、压气机与中冷器连接管的直径、压气机与中冷器连接管的长度、中冷器与稳压腔连接管的直径、中冷器与稳压腔连接管的长度、稳压腔的当量直径、进气歧管的直径共7个特征参数；所述步骤S2的特征参数的设置，是根据特征参数的基准值X₀、偏差θ％和水平数P，确定特征参数的最小值Min(X_i)、最大值Max(X_i)和步长Δ，X_i表示第i个特征参数的值；

所述步骤S3的特征参数的DOE设计，是应用GT-POWER软件中自带的DOE模块，并采用D-Optimal Latin Hypercube方法进行试验设计得到；

所述步骤S4的仿真模型的运行设置包括对仿真时间的控制，求解格式、壁温、摩擦流动求解控制，收敛控制和输出参数的控制，之后对模型进行运行计算。

所述步骤S5中确定性能目标函数的具体步骤包括：

S5-1：提取各特征参数对应的性能计算结果；

S5-2：应用线性回归法对各离散的计算结果进行线性拟合，得到关于特征参数的性能目标函数：

其中i＝1，2，3，4，5，6，7……。

所述步骤S6中根据目标函数的影响度因子β确定特征参数的敏感性，具体步骤包括：

S6-1：由目标函数得到性能目标对特征参数的影响效应图；

S6-2：由得到的影响效应图得到影响度因子β图，|β|的大小即代表特征参数的敏感性。

本实施例以某增压柴油机的进气系统为例，根据图1所示的步骤流程，评价整机输出功率对进气系统的7个特征参数的敏感性。应用GT-Power软件建立整机性能仿真模型并完成模型的修正，使得仿真模型的预测结果具备一定的可信度；之后提取了进气节流阀开度X1、压气机与中冷器连接管的直径X2、压气机与中冷器连接管的长度X3、中冷器与稳压腔连接管的直径X4、中冷器与稳压腔连接管的长度X5、稳压腔的当量直径X6、进气歧管的直径X7共7个进气系统特征参数，基准值、偏差、水平数、步长设置如下：

特征参数	基准值	水平数	偏差	最小值	最大值	步长
							进气节流阀开度X1，mm	50	10	50％	25	75	5
压气机与中冷器连接管的直径X2，mm	80	10	50％	40	120	8
							压气机与中冷器连接管的长度X3，mm	450	10	50％	225	675	45
中冷器与稳压腔连接管的直径X4，mm	100	10	50％	50	150	10
							中冷器与稳压腔连接管的长度X5，mm	270	10	50％	135	405	27
稳压腔的当量直径X6，mm	340	10	50％	170	510	34
							进气歧管的直径X7，mm	74	10	50％	37	111	7.4

采用GT-Power软件自带DOE模块，根据D-Optimal Latin Hypercube方法设计了特征参数的100组数据，作为100个Case带入模型进行计算。通过回归计算确定关于特征参数的性能目标函数，从后处理结果中得到性能目标对特征参数的影响效应图(附图2)和影响度因子β图(附图3)。根据|β|确定了进气系统7个特征参数的敏感性排序：进气节流阀开度X1＞中冷器与稳压腔连接管的直径X4＞压气机与中冷器连接管的长度X3＞中冷器与稳压腔连接管的长度X5＞稳压腔的当量直径X6＞压气机与中冷器连接管的直径X2＞进气歧管的直径X7。

所以在对进气系统改进设计中，可以将进气节流阀开度X1、中冷器与稳压腔连接管的直径X4、压气机与中冷器连接管的长度X3作为重点参数进行优化。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，其特征在于，包含如下步骤：

1)发动机一维性能仿真模型建立和修正；

2)进气系统特征参数的提取和设置；

3)特征参数的DOE设计；

4)仿真模型的运行设置和迭代计算；

5)通过回归计算确定关于特征参数的性能目标函数；

6)根据性能目标函数的影响度因子确定特征参数的敏感性。

2.根据权利要求1所述的一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，其特征在于：步骤1)中所述的发动机一维性能仿真模型的建立和修正为建立发动机各个组成部分的模型，包括环境模型、增压器模型、中冷器模型、进气系统模型、排气系统模型、气缸模型、喷油器模型、曲轴箱模型、燃烧模型、传热模型、摩擦模型，之后再根据试验数据对仿真模型进行修正，包括对功率、扭矩、有效燃油消耗率、空气流量、缸内压力的计算值与试验值的校核，二者偏差控制在5％以内。

3.根据权利要求1所述的一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，其特征在于：步骤2)中所述的进气系统特征参数的提取和设置，提取的特征参数包括进气节流阀开度、压气机与中冷器连接管的直径、压气机与中冷器连接管的长度、中冷器与稳压腔连接管的直径、中冷器与稳压腔连接管的长度、稳压腔的当量直径、进气歧管的直径共7个特征参数，之后对每个特征参数设置基准值X₀、最小值Min(X_i)、最大值Max(X_i)和步长Δ，X_i表示第i个特征参数的值。

4.根据权利要求1所述的一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，其特征在于：步骤3)中所述的特征参数的DOE设计，是采用D-Optimal Latin Hypercube方法对特征参数进行试验设计，得到共n组试验数据。

5.根据权利要求1所述的一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，其特征在于：步骤4)中所述的仿真模型的运行设置包括对仿真时间的控制、求解格式、壁温、摩擦流动求解控制、收敛控制和输出参数的控制，之后对模型进行运行计算。

6.根据权利要求1所述的一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，其特征在于：步骤5)中所述的通过回归计算确定关于特征参数的性能目标函数，是通过线性回归方法对仿真结果中各组特征参数组合所对应的性能计算结果进行拟合，得到关于特征参数的性能目标函数：

其中X_i表示第i个特征参数的值，β为影响度因子。

7.根据权利要求1所述的一种单目标对进气系统特征参数敏感性评价方法，其特征在于：步骤6)为根据性能目标函数的影响度因子β确定性能目标对特征参数的敏感性因子|β|，进而确定特征参数的敏感性顺序。