机械液压约束活塞发动机多学科协同优化框架实现

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1、·现代设计与先进制造技术·柳勋张铁柱张洪信等机械一液压约束活塞发动机⋯⋯27机械一液压约束活塞发动机多学科协同优化框架实现柳勋，张铁柱，张洪信，姜建秋，张卫华(1．青岛大学机电工程学院，山东青岛266071)(2．青岛大学车辆电子技术研究所，山东青岛266071)摘要：对机械一液压约束活塞发动机多学科协同优化设计框架的原理和要求进行了论述，介绍了框架的实现方法。通过对机械一液压约束活塞发动机曲轴的协同优化，进行了框架测试，使曲轴的质量减少了20％，设计效率明显提高。关键词：机械一液压约束活塞发动机；曲轴；多学科；协同优化设计；框架中图分类号：TK40

2、2文献标识码：A文章编号：1672—1616(2010)17—0027—04机械一液压约束活塞发动机(Mechanical—寿命较低等问题，实用性受到严重危害，进行针对HydraulicConfinedPistonEngine，MHCPE)是可将性的优化设计研究并解决上述问题已是当务之急。指示功同时转化为机械能和液压能的新型动力装置，由于相对传统的发动机结构变化较大，需要有针对性地进行优化设计研究。MHCPE优化设计涉及到热力学、系统动力学、流体力学、材料力学、摩擦学等多个学科，这些学科都有自己成熟的分析方法、技术和软件，由于受限于研究人员的知识结构

3、和单机计算速度，只有依赖处于异地的各领域专家协同作业方能有效完成这一工作，即MHCPE需要多学科协同优化设计。关于多学科协同优化设计(MultidisciplinaryCollaborativeDesignOptimiza—tion，MCDO)方面的研究成果较多，国外有的软件1—第一工作室；2-第二工作室；3-出VI阀；4-第三工作室；已经商业化；国内研究主要集中在航天航空领域，5一曲轴；6一连杆；7-导向滑块；8一联接杆；9-入口阀；l0一液核心技术既不成熟，也属保密范畴，且应用范围有压柱塞；11-液压柱塞与动力活塞连接件；12一动力活塞一定的局限

4、性【卜。所以需要针对MHCPE建立图1轴向MHCPE结构原理简图自己的MCDO框架，即计算环境。MCDO框架系统需要实现的功能包括求解、结果分析和可视化，是一个整合优化算法和网络技1框架原理与要求术，基于Java语言设计和网络环境的多学科协同MHCPE结构简图如图1所示，与传统的内燃优化系统。机一柱塞式流体泵组合系统及液压自由活塞发动框架包含1个系统级和几个并行的子系统级机相比，MHCPE具有结构简单，节能、节材效果明两层次设计环境。系统级设计者向各子系统设计显，以及系统启动、活塞回程、附属系统驱动、工作者分配设计变量≮设计常量和优化目标，各子系统定

5、时、速度调整、多缸联动等容易实现的优点。但设计者在只考虑自身约束条件的情况下使设计目由于样机具有高度较大、振动较剧烈、关键零部件标达到最优值，从而求出设计变量并上传结果；系收稿日期：2010—06—10基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975146)；国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA(】4z117)作者简介：柳勋(1985一)，男，山东青岛人，青岛大学车辆电子研究所研究员，青岛大学硕士研究生，主要研究方向为车辆新型动力及其传动系统。2010年9月中国制造业信息化第39卷第17期统级设计者再计算全局优化目标，没有收敛则按

6、照A，B是父文件，c是子文件。但在模块乙中，文件一定算法重新确定并指定各子系统的设计常量、设C和文件D都是父文件，E和F是子文件。计变量和目标函数，子系统设计者重新优化，直到全局优化目标收敛为止。上述结构具有很多优点，首先是易于组织和管理，各学科已有的分析设计软件能够很容易地移植到相应学科的分析设计过程中；其次计算具有并行性，各学科的分析过程同时1I进行，能极大地缩短设计周期，提高设计效率。}子文件复杂系统的开发设计过程包含了多个不同学IJ科的相关技术，但不同学科组通常在不同的地点使用各自的计算机进行计算和设计工作，并且所使用图2文件结构图计算机的类

7、型和操作系统也不尽相同，这就涉及到跨平台、异构操作系统的分布式计算环境配置和沟通的问题，因此框架必须支持异构系统下的网络通信，采用分布式协议来隐藏操作系统的差异性[5—6l。图3文件关系实例图为了能够充分利用已有的计算资源，如用为了使用户能观察设计优化的过程，MCDOMATLAB、Fo~ran、C／C++等编写的计算软件，应将目标函数、约束函数和主要设计变量值的变化采用面向对象的封装思想，将这些可用的计算软件历程通过可视化的方式直观地显示出来。在设计封装成应用程序包，在异构分布的网络环境下重新优化过程中，系统级和各学科组均产生大量的目标调用。对于CA

8、D领域的各类商用软件，如PRO／函数、约束函数和设计变量等数据。为了有利于设E、UG等建模软件，Ansys、