CN112765744B - 一种高能效液压集成块的流道设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高能效液压集成块的流道设计方法，其步骤包括：首先建立包含液压元件信息表、端口信息表和网格空间模型在内的液压集成块数学模型；然后初始化液压元件布局，基于Astar算法并结合扩展节点法规划各端口间的路径，利用优化算法迭代布局获得路径集合；再对弯道和壁厚进行局部结构优化并建立完整的流道仿真模型；最后建立液压集成块流道的3D打印模型。本发明通过布局优化、端口间路径规划和局部流道结构优化，能降低流道的沿程损失和局部损失，提升液压集成块的能量效率，且设计结果可利用3D打印进行制造。

Description

一种高能效液压集成块的流道设计方法

技术领域

本发明涉及液压集成块设计技术领域；具体的说是一种高能效液压集成块的流道设计方法，用于减少流道的沿程损失和局部损失，提升液压集成块的能量效率。

背景技术

液压传动技术具有着功率大、体积小、传动平稳等优点，被广泛应用于航空航天、成形装备和工程机械等领域。液压集成块以其结构紧凑、安装便捷、维修保养容易、泄露和震动噪音小等优点，成为液压传动中的重要零部件。但受限于传统液压集成块采用机械交叉钻孔方式制造内部流道，工艺孔容腔、流道截面突变、空间利用率的问题显著，造成了过多的沿程损失和局部损失，导致液压集成块能量效率低下。

此外，传统设计过程中人工进行液压元件布局和端口间流道的连通，自动化程度不高导致设计的灵活性不足和效率低下，无法实现快速的迭代优化。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种高能效液压集成块的流道设计方法，以期能减少流道中的沿程损失和局部损失，提升液压集成块的能量效率。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种高能效液压集成块的流道设计方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、建立液压集成块的数学模型：

步骤1.1、根据液压原理图确定液压集成块上液压元件型号，创建并初始化液压元件信息表HC＝{hc₁,hc₂,...,hc_i,...,hc_I}，其中，hc_i为第i个液压元件的信息集合，I为液压元件总数；并有：

其中，L×W×H表示信息集合hc_i中存储的第i个液压元件的外形尺寸，即长、宽、高；(x_i,y_i,z_i)表示信息集合hc_i中存储的第i个液压元件在液压集成块中的安装矢量坐标，θ_i为安装角度，n_i为第i个液压元件的端口总数，(dx_j,dy_j)为第j个端口的中心点相对第i个液压元件的中心点的位置偏移量，j＝1,2,...,n_i；

步骤1.2、根据液压原理图确定液压集成块上所有液压元件端口间的连通关系，创建并初始化端口信息表

其中

表示第p个端口组，且包含m_p个相互连通的端口，n为端口组数；

为第p个端口组中第q个端口信息集合，且

中记录有第q个端口的直径

坐标

流速

和压强

液压集成块上的端口总数

步骤1.3、利用栅格法将液压集成块划分的均匀网格空间，创建并初始化矩阵A_l×w×h作为网格空间模型，其中，l、w和h为矩阵的维数，矩阵A_l×w×h中的元素a_x,y,z表示对应坐标(x,y,z)的网格空间；

步骤2、液压集成块的路径规划：

步骤2.1、根据布局规则，随机初始化液压元件的布局，设置液压元件信息表HC中液压元件的安装参数x_i、y_i、z_i、θ_i和端口信息表T中的端口坐标

步骤2.2、利用式(1)计算端口信息表T中第p个端口组的端口直径和D^p，并按端口直径和对端口组进行降序排序，得到排序后的端口信息表T′；

步骤2.3、利用式(2)计算端口组中两端口间的综合代价R_qk，并将按综合代价对端口组内的端口进行降序排序，得到再次排序后的端口信息表T″；

式(2)中，D_qk为第q个端口的直径

与第k个端口的直径

的直径和，L_qk为第q个端口和第k个端口间的距离，取1≤p＜k≤m_p，w₁和w₂为两个权值；

步骤2.4、从再次排序后的端口信息表T″中依次选择端口组，并基于Astar算法结合扩展节点法对按序所选择的端口组进行多端口间的路径规划，从而输出当前路径集合R；

步骤2.5、以式(3)为优化目标，以液压元件的安装要求和液压集成块的安全要求作为设计约束，从步骤2.3开始使用优化算法对液压元件布局中的液压元件信息表HC的安装矢量坐标、安装角度和端口信息表T″中的端口坐标进行迭代优化，从而得到液压元件的最佳布局；

式(3)中，L_u、S_u、Elbow_u、Δh_u分别为当前路径集合R中路径u的长度、面积、转弯数目和流阻；L、W、H分别为液压集成块的长、宽、高；

步骤2.6、根据液压元件的最佳布局，输出布局优化后的规划路径集合R_opt；

步骤3、流道的局部结构优化：

步骤3.1、提取规划路径集合R_opt中的转弯路径，并根据端口信息表T中第q个端口的直径

流速

压强

建立弯道仿真模型并对弯道结构进行优化，得到优化后的弯道仿真模型；

步骤3.2、按照优化后的弯道仿真模型、规划路径集合R_opt和最终的端口信息表T″建立完整的流道仿真模型；

步骤4、根据流道仿真模型及其应力分布确定壁厚，从而生成液压集成块流道的3D打印模型。

本发明所述的一种高能效液压集成块的流道设计方法的特点也在于，所述均匀网格空间的网格边长L_grid≤D_min+W_min，其中，D_min为端口的最小直径，W_min为安全要求下的最小壁厚，矩阵的维数分别为l＝L/L_grid，h＝H/L_grid，w＝W/L_grid；令a_x,y,z＝1表示网格为障碍，令a_x,y,z＝0表示网格无障碍；安装角度θ_i取{0°,90°,180°,270°}。

所述步骤2.4中Astar算法结合扩展节点法的过程如下：

(1)初始化q＝1；

(2)选择第p个端口组的第q个端口与第q+1个端口分别设置为起点S和终点G；

(3)基于Astar算法规划起点S和终点G之间的路径

(4)将路径

加入待选源点集合Q和路径集合R中；

(5)将路径

对应矩阵A_l×w×h中位置的值设为“1”；

(6)将q+1赋值给q，判断q＝m_p是否成立，若成立，则输出当前规划路径集合R，否则，将第q+1个端口作为P点，计算待选源点集合Q中与P点距离最近的点，并记为N点，分别用P点和N点替换起点S和终点G后，返回步骤(3)。

所述流阻Δh_u是利用式(4)计算得到；

式(4)中，λ为流道摩擦阻力系数，l_uα、D_uα分别为路径u的第α个直段路径的长度及其对应的直径，ξ_uβ为路径u的第β个弯道的局部阻力系数，ρ为流体密度，v为流体速度。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过将实际的液压集成块及其安装面上的液压元件对象抽象为液压集成块数学模型，便于调整管理设计对象，供后期算法进行路径规划。

2、本发明通过利用Astar算法结合节点扩展法的方式快速规划端口间的路径，根据目标函数评价规划路径效果果，通过优化算法迭代液压元件布局，最终提升了集成块流道的能量效率，同时也提高了设计效率。

3、本发明通过提取转弯路径进行弯道结构优化减少局部损失，根据应力分布确定壁厚可降低后期制造成本。

附图说明

图1是液压集成块流道设计方法的流程图；

图2是端口组内多端口间的路径规划流程图；

图3是基于Astar算法进行起点S和终点G间的路径规划流程图。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种高能效液压集成块的流道设计方法，是通过布局优化、端口间路径规划和局部流道结构优化，降低了流道的沿程损失和局部损失，提升了液压集成块的能量效率，且设计结果可利用3D打印进行制造。具体的说，是按如下步骤进行：

步骤1、建立液压集成块的数学模型：

步骤1.1、根据液压原理图确定液压集成块上液压元件型号，创建并初始化液压元件信息表HC＝{hc₁,hc₂,...,hc_i,...,hc_I}，其中，hc_i为第i个液压元件的信息集合，I为液压元件总数；并有：

其中，因为液压元件几何形状各异导致难以建立数学模型，所以使用包围盒算法以立方体来替代液压元件的几何外形；L×W×H表示信息集合hc_i中存储的第i个液压元件的外形尺寸，即长、宽、高；(x_i,y_i,z_i)表示信息集合hc_i中存储的第i个液压元件在液压集成块中的安装矢量坐标，θ_i为安装角度，安装角度θ_i考虑安装习惯一般取{0°,90°,180°,270°}。n_i为第i个液压元件的端口总数，(dx_j,dy_j)为第j个端口的中心点相对第i个液压元件的中心点的位置偏移量，j＝1,2,...,n_i；

步骤1.2、根据液压原理图确定液压集成块上所有液压元件端口间的连通关系，创建并初始化端口信息表

其中

表示第p个端口组，且包含m_p个相互连通的端口，n为端口组数；

为第p个端口组中第q个端口信息集合，且

中记录有第q个端口的直径

坐标

流速

和压强

液压集成块上的端口总数

步骤1.3、利用栅格法将液压集成块划分的均匀网格空间，创建并初始化矩阵A_l×w×h作为网格空间模型，其中，l、w和h为矩阵的维数，矩阵A_l×w×h中的元素a_x,y,z表示对应坐标(x,y,z)的网格空间；

具体实施中，均匀网格空间的网格边长L_grid≤D_min+W_min，其中，D_min为端口的最小直径，W_min为安全要求下的最小壁厚，可综合考虑求解精度和求解速度调整网格的边长；矩阵的维数分别为l＝L/L_grid，h＝H/L_grid，w＝W/L_grid；令a_x,y,z＝1表示网格为障碍，令a_x,y,z＝0表示网格无障碍；将液压集成块网格空间模型的边界网格设为障碍，即将矩阵A_l×w×h中边界网格对应位置的元素值设为“1”，将矩阵中其余元素都设为0。

步骤2、液压集成块的路径规划：

步骤2.1、根据布局规则，随机初始化液压元件的布局，设置液压元件信息表HC中液压元件的安装参数x_i、y_i、z_i、θ_i和端口信息表T中的端口坐标

步骤2.2、利用式(1)计算端口信息表T中第p个端口组的端口直径和D^p，并按端口直径和对端口组进行降序排序，得到排序后的端口信息表T′；

步骤2.3、利用式(2)计算端口组中两端口间的综合代价R_qk，并将按综合代价对端口组内的端口进行降序排序，得到再次排序后的端口信息表T″；

式(2)中，D_qk为第q个端口的直径

与第k个端口的直径

的直径和，L_qk为第q个端口和第k个端口间的距离，取1≤p＜k≤m_p，w₁和w₂为两个权值；

步骤2.4、从再次排序后的端口信息表T″中依次选择端口组，并基于Astar算法结合扩展节点法对所按序所选择的端口组进行多端口间的路径规划，从而输出当前路径集合R；

其中，如图2所示，Astar算法结合扩展节点法的过程如下：

(1)初始化q＝1；

(2)选择第p个端口组的第q个端口与第q+1个端口分别设置为起点S和终点G；

(3)基于Astar算法规划起点S和终点G之间的路径

(4)将路径

加入待选源点集合Q和路径集合R中；

(5)将路径

对应矩阵A_l×w×h中位置的值设为“1”，即将刚规划的路径所占空间设置为障碍，更新过后的集成块网格空间模型作为下一次路径规划的空间环境；

(6)将q+1赋值给q，判断q＝m_p是否成立，若成立，则输出当前规划路径集合R，否则，将第q+1个端口作为P点，计算待选源点集合Q中与P点距离最近的点，并记为N点，分别用P点和N点替换起点S和终点G后，返回步骤(3)；

具体实施中，Astar算法通过代价函数f(t)＝g(t)+w_th(t)进行路径搜索。其中，节点t代表液压集成块网格空间模型中一个网格空间，f(t)为t节点的总代价，g(t)为起点S到t节点的实际代价，h(t)为t节点到达终点G的估计代价，可利用两节点间的距离来计算代价，w_t为权值可调节路径搜索速度。结合图3所示，基于Astar算法规划起点S和终点G间的最短路径步骤如下:

1.建立Open表和Closed表分别用来存储集成块网格空间模型中待搜索的节点和已搜索过的节点。每个节点存储了该节点在空间模型中的坐标位置(x,y,z)、总代价f和其父节点的索引值。将起点S加入Open表中，Closed表清空，完成初始化；

2.求出Open表中总代价最小值f_min；

3.判断Open表中是否存在保持路径搜索方向不变且f＝f_min的节点，若存在则选取该节点为当前节点t；若不存在则随机选择f＝f_min的节点作为当前节点t；

4.将节点t从Open表中删除并添加到Closed表中；

5.选取节点t的相邻节点中未被设置为障碍的节点t_nei；

6.计算f(t_nei)＝g(t_nei)+w_th(t_nei)；

7.判断节点t_nei是否存在于Open表或Closed表中，若不存在则将节点t_nei加入Open表中；

8.若节点t_nei存在于Open表或Closed表中，进一步判断表中存储的f是否大于f(t_nei)，若是则利用f(t_nei)更新表中的f值并将节点t_nei的父节点改为节点t，若否则忽略；

9.判断是否遍历完前节点t的所有可达邻节点，若否返回步骤5；

10.判断Open表中是否为空，若是则路径规划失败，需要重新调整液压元件布局；

11.判断Open表中是否存在终点G，若存在则利用节点的父节点索引值进行路径回溯获取规划路径，若不存在返回步骤2；

步骤2.5、以式(3)为优化目标，其中以路径总长和总面积为目标降低流道的沿程损失，以转弯总数和总流阻为目标降低流道的局部损失，以集成块体积为目标提高流道设计过程中集成块的空间利用率。以液压元件的安装要求和液压集成块的安全要求作为设计约束，从步骤2.3开始使用优化算法对液压元件布局中的液压元件信息表HC的安装矢量坐标、安装角度和端口信息表T″中的端口坐标进行迭代优化，从而得到液压元件的最佳布局；

式(3)中，L_u、S_u、Elbow_u、Δh_u分别为当前路径集合R中路径u的长度、面积、转弯数目和流阻；L、W、H分别为液压集成块的长、宽、高；其中，流阻Δh_u是利用式(4)计算得到；

式(4)中，λ为流道摩擦阻力系数，l_uα、D_uα分别为路径u的第α个直段路径的长度及其对应的直径，ξ_uβ为路径u的第β个弯道的局部阻力系数，ρ为流体密度，v为流体速度。

具体实施中，液压元件安装要求为液压元件布局安装后之间不发生空间干涉并留有必要的安装拆卸空间。优化算法可选用遗传算法、萤火虫算法、灰狼算法等。

步骤2.6、根据液压元件的最佳布局，输出布局优化后的规划路径集合R_opt；

步骤3、流道的局部结构优化：

步骤3.1、提取规划路径集合R_opt中的转弯路径，并根据端口信息表T中第q个端口的直径

流速

压强

建立弯道仿真模型并对弯道结构进行优化，得到优化后的弯道仿真模型；具体实施中，可通过将垂直相交的弯道改为圆弧过渡解决传统流道设计产生的截面突变和工艺孔容腔问题，也可使用流体拓扑优化实现，最终达到降低流道的局部损失的效果。

步骤3.2、按照优化后的弯道仿真模型、规划路径集合R_opt和最终的端口信息表T″建立完整的流道仿真模型；

步骤4、根据流道仿真模型及其应力分布确定壁厚，从而生成液压集成块流道的3D打印模型。

Claims (4)

1.一种高能效液压集成块的流道设计方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、建立液压集成块的数学模型：

步骤1.1、根据液压原理图确定液压集成块上液压元件型号，创建并初始化液压元件信息表HC＝{hc₁,hc₂,...,hc_i,...,hc_I}，其中，hc_i为第i个液压元件的信息集合，I为液压元件总数；并有：

其中，L×W×H表示信息集合hc_i中存储的第i个液压元件的外形尺寸，即长、宽、高；(x_i,y_i,z_i)表示信息集合hc_i中存储的第i个液压元件在液压集成块中的安装矢量坐标，θ_i为安装角度，n_i为第i个液压元件的端口总数，(dx_j,dy_j)为第j个端口的中心点相对第i个液压元件的中心点的位置偏移量，j＝1,2,...,n_i；

步骤1.2、根据液压原理图确定液压集成块上所有液压元件端口间的连通关系，创建并初始化端口信息表

其中

表示第p个端口组，且包含m_p个相互连通的端口，n为端口组数；

为第p个端口组中第q个端口信息集合，且

中记录有第q个端口的直径

坐标

流速

和压强

液压集成块上的端口总数

步骤1.3、利用栅格法将液压集成块划分的均匀网格空间，创建并初始化矩阵A_l×w×h作为网格空间模型，其中，l、w和h为矩阵的维数，矩阵A_l×w×h中的元素a_x,y,z表示对应坐标(x,y,z)的网格空间；

步骤2、液压集成块的路径规划：

步骤2.1、根据布局规则，随机初始化液压元件的布局，设置液压元件信息表HC中液压元件的安装参数x_i、y_i、z_i、θ_i和端口信息表T中的端口坐标

步骤2.2、利用式(1)计算端口信息表T中第p个端口组的端口直径和D^p，并按端口直径和对端口组进行降序排序，得到排序后的端口信息表T′；

步骤2.3、利用式(2)计算端口组中两端口间的综合代价R_qk，并将按综合代价对端口组内的端口进行降序排序，得到再次排序后的端口信息表T″；

式(2)中，D_qk为第q个端口的直径

与第k个端口的直径

的直径和，L_qk为第q个端口和第k个端口间的距离，取1≤p＜k≤m_p，w₁和w₂为两个权值；

步骤2.4、从再次排序后的端口信息表T″中依次选择端口组，并基于Astar算法结合扩展节点法对按序所选择的端口组进行多端口间的路径规划，从而输出当前路径集合R；

步骤2.5、以式(3)为优化目标，以液压元件的安装要求和液压集成块的安全要求作为设计约束，从步骤2.3开始使用优化算法对液压元件布局中的液压元件信息表HC的安装矢量坐标、安装角度和端口信息表T″中的端口坐标进行迭代优化，从而得到液压元件的最佳布局；

式(3)中，L_u、S_u、Elbow_u、Δh_u分别为当前路径集合R中路径u的长度、面积、转弯数目和流阻；L、W、H分别为液压集成块的长、宽、高；

步骤2.6、根据液压元件的最佳布局，输出布局优化后的规划路径集合R_opt；

步骤3、流道的局部结构优化：

步骤3.1、提取规划路径集合R_opt中的转弯路径，并根据端口信息表T中第q个端口的直径

流速

压强

建立弯道仿真模型并对弯道结构进行优化，得到优化后的弯道仿真模型；

步骤3.2、按照优化后的弯道仿真模型、规划路径集合R_opt和最终的端口信息表T″建立完整的流道仿真模型；

步骤4、根据流道仿真模型及其应力分布确定壁厚，从而生成液压集成块流道的3D打印模型。

2.根据权利要求1所述的一种高能效液压集成块的流道设计方法，其特征在于，所述均匀网格空间的网格边长L_grid≤D_min+W_min，其中，D_min为端口的最小直径，W_min为安全要求下的最小壁厚，矩阵的维数分别为l＝L/L_grid，h＝H/L_grid，w＝W/L_grid；令a_x,y,z＝1表示网格为障碍，令a_x,y,z＝0表示网格无障碍；安装角度θ_i取{0°,90°,180°,270°}。

3.根据权利要求1所述的一种高能效液压集成块的流道设计方法，其特征在于，所述步骤2.4中Astar算法结合扩展节点法的过程如下：

(1)初始化q＝1；

(2)选择第p个端口组的第q个端口与第q+1个端口分别设置为起点S和终点G；

(3)基于Astar算法规划起点S和终点G之间的路径

(4)将路径

加入待选源点集合Q和路径集合R中；

(5)将路径

对应矩阵A_l×w×h中位置的值设为“1”；

(6)将q+1赋值给q，判断q＝m_p是否成立，若成立，则输出当前规划路径集合R，否则，将第q+1个端口作为P点，计算待选源点集合Q中与P点距离最近的点，并记为N点，分别用P点和N点替换起点S和终点G后，返回步骤(3)。

4.根据权利要求1所述的一种高能效液压集成块的流道设计方法，其特征在于，所述流阻Δh_u是利用式(4)计算得到；

式(4)中，λ为流道摩擦阻力系数，l_uα、D_uα分别为路径u的第α个直段路径的长度及其对应的直径，ξ_uβ为路径u的第β个弯道的局部阻力系数，ρ为流体密度，v为流体速度。

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