CN110196991A - 一种基于果蝇算法的马达预压缩容腔结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于果蝇算法的预压缩容腔结构设计方法，它的主要步骤包括：步骤一：建立连续回转电液伺服马达预压缩容腔模型。步骤二：流体模型的建立与网格划分。步骤三：利用FULENT软件，对预压缩容腔的降压过程仿真分析。步骤四：基于仿真结果，得到预压缩容腔最优尺寸的区间。步骤五：确定味道浓度判定函数S(i)，运用果蝇优化算法对预压缩容腔结构进行优化。通过此方法得到一种结构最优的正方体型预压缩容腔结构，从而有效地缓解连续回转电液伺服马达的压力冲击。

Description

一种基于果蝇算法的马达预压缩容腔结构设计方法

技术领域

本发明涉及电液伺服马达旋转过程中马达叶片的压力冲击领域，具体为设计一种正方体型预压缩容腔结构，并运用果蝇算法对电液伺服马达预压缩容腔进行优化的方法。

背景技术

连续回转电液伺服马达在工作中，叶片不可避免的承受高压与低压的转换，当马达叶片由高压区旋转至到低压区时，会对叶片造成压力冲击，这种压力冲击影响着了电液伺服马达低速性能；为了能够降低马达叶片在高低压油腔切换时的压力冲击，保证马达旋转时的性能，主要的改进方法是在马达配油盘上设计一个缓冲槽；缓冲槽的形状有U型、孔型、半圆形和三角锥形，除此之外，还有复合槽；三角锥型缓冲槽在降低液压冲击方面效果突出，被广泛的应用，然而随着液压技术的发展，单纯的设计缓冲槽已经不能满足市场的需求；在这样的背景下，本发明设计了一种正方体型预压缩容腔结构，运用果蝇算法，对预压缩容腔结构的边长进行了优化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：连续回转电液伺服马达在工作中，叶片不可避免地承受高压与低压的转换，从而对叶片造成压力冲击，为了降低压力冲击对马达叶片的影响，本发明设计了一种与阻尼孔相连的正方体型的预压缩容腔结构，并用果蝇优化算法确定其最佳的结构尺寸。

本发明为解决上述问题，提出如下技术方案：

步骤一：建立连续回转电液伺服马达预压缩容腔模型；

步骤二：流体模型的建立与网格划分；

步骤三：利用FULENT软件，对预压缩容腔的降压过程进行仿真分析，主要为以下几个过程： a)定义流体介质为32#抗磨液压油；b)指定进油口压力为6.5MPa，出油口压力为3.5MPa，其余各面类型均为壁面；c)选择k-ε湍流模型；d)参数设置完成后，运用FLUENT软件进行计算，将结果输出到CFD-POST软件中进行后处理，得到连续回转电液伺服马达叶片旋转角度为0°、 0.2°、0.4°、0.6°、0.8°、1°、1.2°、1.6°和2°情况时不带预压容腔结构和预压缩容腔边长分别取10mm、20mm、30mm和50mm时的计算结果；e)通过对带有不同尺寸预压缩容腔结构的密封容腔计算结果分析，得到压力梯度曲线和脉动率曲线；

步骤四：基于仿真结果，得到预压缩容腔最优尺寸的区间；

步骤五：确定味道浓度判定函数S(i)，运用果蝇优化算法对预压缩容腔结构进行优化，得到预压缩容腔容腔的最佳尺寸，主要有以下几个过程：

a)根据连续回转电液伺服马达密封容腔数学模型，得到连续回转电液伺服马达的压力梯度，将预压缩容腔边长尺寸作为味道浓度判定值S(i)，马达在降压过程中的压力梯度作为判定函数；

b)在连续回转电液伺服马达降压过程中，把马达叶片旋转角度和预压缩容腔边长尺寸区间为约束条件；

c)以连续回转电液伺服马达在长半径圆弧区域降压过程中的压力梯度为判定函数，初始化果蝇的位置区间、果蝇随机飞行的方向和距离区间，设置种群规模、迭代次数，运用果蝇优化算法对马达预压缩容腔结构进行优化。

本发明设计了一种正方体型的预压缩容腔结构，并用果蝇优化算法对预压缩容腔的结构尺寸进行优化，从而得到最佳的的预压缩容腔结构，本发明的优点是降低马达叶片在高低压腔切换时的压力冲击，保证其压力过渡平稳，同时为电液伺服马达的结构提供了一种新思想。

附图说明

图1为整个发明流程图。

图2为马达密封容腔结构示意图。

图3为无预压缩容腔结构流体模型。

图4为带预压缩容腔结构流体模型。

图5为无预压缩容腔结构网格模型。

图6为带预压缩容腔结构网格模型。

图7为脉动率曲线。

图8为压力梯度曲线。

图9为连续回转电液伺服马达几何示意图。

图10为回油口截流面积示意图。

图11为目标函数优化曲线。

图12为预压缩容腔优化曲线。

具体实施方式

结合附图，通过实例，以下是该发明的具体实施步骤：本发明公开了一种正方体型预压缩容腔结构，并用果蝇优化算法对预压缩容腔结构进行优化，其具体包括以下的步骤：

步骤一：建立连续回转电液伺服马达预压缩容腔模型；根据连续回转电液伺服马达两叶片所形成的密封容腔油液压力变化，将马达配流盘、叶片一、叶片二、定子内曲线和转子形成的密封容腔作为研究对象，假设密封容腔初始体积为V，密封容腔内油液体积变化为，密封腔内油液压力梯度用如下公式表示：密封腔内油液压力梯度用如下公式表示：

其中：dp——密封容腔油液压力微分；βe——油液弹性模量(MPa)；dv——密封容腔油液体积微分；V——密封容腔油液初始体积(m3)；ω——马达转速(°/s)；θ——转子转角(°)；选择重整化群(RNG)k-ε湍流模型对马达内流场进行研究；

步骤二：流体模型的建立与网格划分；

为了研究预压缩容腔对连续回转电液伺服马达叶片压力冲击的影响，所以不考虑马达配流盘三角槽和内泄漏；为分析长半径圆弧区域密封容腔降压过程，以密封容腔体积封闭时为初始位置；由于密封容腔与压力出口接通瞬间压降较大，随着叶片的旋转，压降逐渐减小，直至密封容腔中的压力与出口压力相同时，降压完成，所以从叶片与回油腔相切开始，用运用SolidWorks软件建立0°、0.2°、0.4°、0.6°、0.8°、1.0°、1.2°、1.6°和2.0°九个位置的封闭容腔模型；本发明选择有限元分析前处理软件ICEM-CFD进行网格划分，由于叶片顶端与定子接触部分间隙较小，所以通过综合考虑，只对该部分进行了局部加密，划分完成流体模型，由于篇幅有限，只展示出了0°时不带预压缩容腔结构的网格划分，和带预压缩容腔结构的网格划分；

步骤三：利用FULENT软件，对预压缩容腔的降压过程进行仿真分析，主要分为以下几个过程：

a)定义流体介质为32#抗磨液压油；b)指定进油口压力为6.5MPa，出油口压力为3.5MPa，其余各面类型均为壁面；c)选择k-ε湍流模型；d)参数设置完成后，运用FLUENT软件进行计算，将结果输出到CFD-POST软件中进行后处理，得到连续回转电液伺服马达叶片旋转角度为0°、0.2°、0.4°、0.6°、0.8°、1°、1.2°、1.6°和2°情况时不带预压容腔结构和预压缩容腔边长分别取10mm、20mm、30mm和50mm时的计算结果；e)通过对带有不同尺寸预压缩容腔结构的密封容腔计算结果分析，得到压力梯度曲线和脉动率曲线；

步骤四：基于仿真结果，得到预压缩容腔最优尺寸的区间；

从图11中可以看到，预压缩容腔边长为0mm时即为不带预压缩容腔结构；随着预压缩容腔边长的增加，密封容腔的脉动率先呈下降趋势，之后又逐渐上升。预压缩容腔边长为10mm时，脉动率下降幅度较小；边长增加到20mm时，脉动率有了大幅下降，效果较为明显；边长增加到50mm时，脉动率又呈上升趋势；其中预压缩容腔边长为20mm和30mm时的脉动率基本相同；在降压开始时，预压缩容腔边长为30mm的压力梯度略小于边长为20mm的压力梯度，到叶片旋转0.4°之后，二者的压力梯度基本相同；通过仿真研究，预压缩容腔边长在20mm 和30mm时最优；

步骤五：确定味道浓度判定函数S(i)，运用果蝇优化算法对预压缩容腔结构进行优化，主要分为以下几个过程：

a)建立连续回转电液伺服马达密封容腔数学模型，以马达配流盘以及相邻的两个叶片，还有转子、定子内曲线围成的封闭容腔abcd，把这个密闭容腔作为研究对象，设马达转子在单位时间dt内转过dθ角，那么密闭容腔变成a’b’c’d’，此时，马达的转子半径为R2，定子内的曲线最大圆弧为R1，阻尼孔长度为L，阻尼孔半径为r，预压缩容腔边长为S，马达转速为ω，密闭容腔的油液在与回油口接触瞬间就完成了降压过程，把降压过程看作是孔口出流的过程，孔口出流公式为：

其中：Cq——流量系数，A——回油腔节流口面积(m2)，△p——回油腔压差(Pa)，Ρ——液压油密度(kg/m3)；

在降压的过程中，当叶片转动较小的角度，就可以完全降压，由于回油槽的形状为弧槽型，当叶片未转过圆弧槽的半圆部分时降压已经完成了；因此需要求出回流腔截流口的面积，根据几何关系，可得：

其中：Q——直线OP的边长(mm)；R——圆P的半径(mm)；

根据连续回转电液伺服马达实际尺寸可知，R＝6mm，β＝3.3°，Q＝103.92mm，因此，回油腔截流口面积为：

密封容腔内的油液体积由三部分组成，分别有马达配流盘，叶片1，叶片2，转子和定子密闭容腔围成的油液、预压缩容腔中的和阻尼孔中的油液组成；马达配流盘，叶片1,2以及定子转子内曲线围成的油液，其体积计算公式为：

式中：B——定子宽度(m)；b——叶片厚度(mm)；Z——马达叶片个数(个)；

由公式(1)、(2)、(5)得到连续回转电液伺服马达降压过程中的压力梯度为：

将预压缩容腔边长尺寸作为味道浓度判定值S(i)，马达在降压过程中的压力梯度作为判定函数(Fitness function)，则果蝇个体位置的味道浓度Smell(i)为:

b)在连续回转电液伺服马达降压过程中，以马达叶片旋转角度和预压缩容腔边长尺寸区间为约束条件；连续回转电液伺服马达降压过程中，叶片从0°旋转到2°即可实现降压，因此马达叶片旋转角度为：0°＜θ＜2°，预压缩容腔边长尺寸区间为：20＜S＜30；

c)以连续回转电液伺服马达在长半径圆弧区域降压过程中的压力梯度为判定函数，初始化果蝇的位置区间为[0,10]，果蝇随机飞行的方向和距离区间为[-1,1]，设置种群规模(sizepop)为200，迭代次数(maxgen)为1000，带入相关参数，运用Matlab软件对目标函数进行优化，得到目标函数优化曲线和预压缩容腔优化曲线；由图11可知，赋予判定函数单个预压缩容腔边长时，在第35代时目标函数开始收敛，收敛于-4.842，预压缩容腔边长为26.273mm时压力梯度最小，所以降压效果最优。

Claims (4)

1.一种基于果蝇算法的马达预压缩容腔结构设计方法，其特征在于设计一种正方体形状的预压缩容腔结构，并运用果蝇优化算法优化连续回转电液伺服马达预压缩容腔结构；

包括以下步骤：

步骤一：建立连续回转电液伺服马达预压缩容腔模型；

步骤二：流体模型的建立与网格划分；

步骤三：利用FULENT软件，对预压缩容腔的降压过程进行仿真分析；

步骤四：基于仿真结果，得到预压缩容腔最优尺寸的区间；

步骤五：确定味道浓度判定函数S(i)，运用果蝇优化算法对预压缩容腔结构进行优化。

2.根据权利要求1所述的一种基于果蝇算法的马达预压缩容腔结构设计方法，其特征在于对连续回转电液伺服马达预压缩容腔流场进行稳态分析，主要分为以下几个过程：

a)定义流体介质为32#抗磨液压油；b)指定进油口压力为6.5MPa，出油口压力为3.5MPa，其余各面类型均为壁面；c)选择k-ε湍流模型；d)参数设置完成后，运用FLUENT软件进行计算，将结果输出到CFD-POST软件中进行后处理，得到连续回转电液伺服马达叶片旋转角度为0°、0.2°、0.4°、0.6°、0.8°、1°、1.2°、1.6°和2°情况时不带预压容腔结构和预压缩容腔边长分别取10mm、20mm、30mm和50mm时的计算结果；e)通过对带有不同尺寸预压缩容腔结构的密封容腔计算结果分析，得到压力梯度曲线和脉动率曲线。

3.根据权利要求1所述的一种基于果蝇算法的马达预压缩容腔结构设计方法，其特征在于确定味道浓度判定函数S(i)，运用果蝇优化算法对预压缩容腔结构进行优化，主要分为以下几个过程：

a)根据连续回转电液伺服马达密封容腔数学模型，得到连续回转电液伺服马达的压力梯度，将预压缩容腔边长尺寸作为味道浓度判定值S(i)，马达在降压过程中的压力梯度作为判定函数；

b)在连续回转电液伺服马达降压过程中，把马达叶片旋转角度和预压缩容腔边长尺寸区间为约束条件；

c)以连续回转电液伺服马达在长半径圆弧区域降压过程中的压力梯度为判定函数，初始化果蝇的位置区间、果蝇随机飞行的方向和距离区间，设置种群规模、迭代次数，运用果蝇优化算法对马达预压缩容腔结构进行优化。

4.根据权利要求2所述的一种基于果蝇算法的马达预压缩容腔结构设计方法，其特征在用FLUENT进行分析，由于连续回转电液伺服马达在升压过程与降压过程的研究方法一致，所以在本文中不再对升压过程中进行赘述。