基于參數(shù)建模與流固耦合仿真的增壓透平膨脹機壓機輪氣動-結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計

摘要：本文基于參數(shù)化建模與流固耦合仿真技術(shù)，構(gòu)建了增壓透平膨脹機壓機輪氣動-結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)框架。通過建立葉片幾何的高維控制參數(shù)體系，結(jié)合參數(shù)敏感性分析篩選關(guān)鍵設(shè)計變量，實現(xiàn)設(shè)計空間的有效約束與調(diào)控。采用瞬態(tài)CFD與FEM雙向耦合機制，準(zhǔn)確捕捉氣動載荷對葉輪結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)變形對流場的反饋影響，提升仿真精度與物理真實性?；陧憫?yīng)面代理模型構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化框架，兼顧氣動效率最大化與結(jié)構(gòu)強度約束，生成Pareto前沿解集揭示性能權(quán)衡關(guān)系。優(yōu)化結(jié)果表明，壓機輪氣動效率與壓比均有提升，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低，葉片徑向變形控制在安全閾值內(nèi)，顯著增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗疲勞能力。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化建模；流固耦合仿真；增壓透平膨脹機；壓機輪

增壓透平膨脹機是現(xiàn)代能源與動力系統(tǒng)里關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換裝置，它性能的提升直接關(guān)聯(lián)到整體系統(tǒng)的效率以及穩(wěn)定性，壓機輪是膨脹機的核心部件，它的氣動性能以及結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化設(shè)計，對達(dá)成高效能量轉(zhuǎn)換以及延長設(shè)備使用壽命有著關(guān)鍵作用，傳統(tǒng)設(shè)計方法大多依賴經(jīng)驗和單一學(xué)科的分析，很難充分把握氣動載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間復(fù)雜的耦合關(guān)系，使得設(shè)計方案在實際運行里存在性能瓶頸和安全隱患。借助參數(shù)化建模技術(shù)，可達(dá)成壓機輪幾何形狀的靈活調(diào)整以及多參數(shù)集成管理，為優(yōu)化設(shè)計提供了系統(tǒng)化的設(shè)計空間[1]。

流固耦合仿真技術(shù)把氣動力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)密切聯(lián)系在一起，可精準(zhǔn)地預(yù)測壓機輪在復(fù)雜流場作用時的變形以及應(yīng)力分布情況，揭示氣動載荷對于結(jié)構(gòu)性能的影響原理，把參數(shù)化建模和流固耦合仿真相互結(jié)合起來，構(gòu)建起氣動-結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計框架，這樣一來，提高了設(shè)計的精準(zhǔn)度與效率，而且達(dá)成了性能與安全性的協(xié)調(diào)優(yōu)化，契合高性能增壓透平膨脹機對壓機輪設(shè)計的嚴(yán)格要求。

一、參數(shù)化建模與流固耦合仿真的理論基礎(chǔ)及協(xié)同優(yōu)化框架

（一）壓機輪幾何參數(shù)化建模方法

壓機輪幾何參數(shù)化建模方法是依據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建的控制參數(shù)體系來開展的，其中包含葉片型線的中弧線、厚度分布以及輪廓形狀，以及葉片數(shù)量等關(guān)鍵幾何變量，該方法運用Bezier曲線控制點精準(zhǔn)地描述葉片輪廓以及安裝角度，達(dá)成高維度、連續(xù)且可調(diào)節(jié)的設(shè)計空間表達(dá)，參數(shù)敏感性分析借助局部擾動法[2]。針對上述控制參數(shù)逐個施加微小變化，同時結(jié)合流固耦合仿真里瞬態(tài)流體動力學(xué)與結(jié)構(gòu)動力學(xué)的雙向交互機制，以此量化各個參數(shù)對氣動性能指標(biāo)以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域的影響程度。

（二）流固耦合（FSI）理論模型構(gòu)建

增壓透平膨脹機壓機輪的氣動與結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計依靠參數(shù)化建模和FSI仿真技術(shù)的深度融合，借助流體域和結(jié)構(gòu)域的動態(tài)交互來精準(zhǔn)捕捉復(fù)雜物理過程，流體域運用瞬態(tài)計算流體力學(xué)方法，依據(jù)不可壓縮或可壓縮Navier-Stokes方程求解瞬態(tài)流場特性，捕捉壓力、速度以及溫度等物理量隨時間的變化分布，結(jié)構(gòu)域借助瞬態(tài)有限元法求解彈性動力學(xué)方程，得到結(jié)構(gòu)在時間維度上的應(yīng)力、應(yīng)變和變形響應(yīng)。兩者憑借迭代的數(shù)據(jù)交換流程達(dá)成雙向耦合，流體壓力和溫度場當(dāng)作載荷映射到結(jié)構(gòu)表面，推動結(jié)構(gòu)變形，而結(jié)構(gòu)變形又會引發(fā)流體域邊界條件的動態(tài)改變，促使流體網(wǎng)格借助動網(wǎng)格技術(shù)或網(wǎng)格重剖分策略進(jìn)行實時更新。

二、壓機輪參數(shù)化建模與流固耦合仿真分析

（一）基于控制參數(shù)的壓氣機葉輪三維參數(shù)化建模

搭建參數(shù)驅(qū)動的建模架構(gòu)，借助Python腳本去調(diào)用CAD內(nèi)核來達(dá)成葉輪流道幾何形狀的自動生成，使得設(shè)計效率以及模型的一致性都有了一定程度的提高，此方法把葉片幾何的關(guān)鍵參數(shù)當(dāng)作輸入變量，像葉片包角、葉片弦長、葉片厚度分布以及喉部截面面積等，可較為靈活地對葉輪形狀做出調(diào)整，以契合不同工況的需求[3]。模型驗證階段依靠將參數(shù)化生成的模型與基準(zhǔn)葉輪的幾何特征進(jìn)行對比，著重考察葉片包角以及喉部面積的誤差分布情況，結(jié)果說明兩者的誤差處于合理范圍之內(nèi)，可以契合氣動性能以及結(jié)構(gòu)強度分析的精度要求。

（二）流固耦合仿真平臺搭建

流體邊界條件進(jìn)行合理設(shè)置，在進(jìn)口處采用總壓與總溫當(dāng)作邊界條件，以此保證流體進(jìn)入壓機輪時的狀態(tài)參數(shù)和實際工況保持高度一致，在出口處設(shè)置靜壓邊界條件，用來模擬排出流場的壓力環(huán)境，維持流場的物理合理性，湍流模型選用SST k-ω模型，該模型可兼顧對近壁面流動的精細(xì)捕捉以及自由流區(qū)的湍流特性，適用于復(fù)雜葉輪流場的模擬工作[4]。在載荷傳遞機制方面，采用瞬態(tài)流體壓力場向結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的保守載荷插值方法，以此保證流體壓力數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)格之間可準(zhǔn)確映射，防止數(shù)值誤差出現(xiàn)積累，在結(jié)構(gòu)分析中，引入熱應(yīng)力耦合計算流程，實現(xiàn)流體熱負(fù)荷對結(jié)構(gòu)溫度場的實時反饋，對材料的熱膨脹和應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。

（三）氣動-結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化

響應(yīng)面近似模型選用Kriging模型，把設(shè)計變量映射到關(guān)鍵目標(biāo)函數(shù)上，比如等熵效率以及壓比，借助對高維設(shè)計空間的樣本數(shù)據(jù)加以擬合，構(gòu)建起數(shù)學(xué)映射關(guān)系，達(dá)成目標(biāo)函數(shù)的快速預(yù)測與優(yōu)化，流固耦合仿真采用雙向耦合機制，將瞬態(tài)流體動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)緊密聯(lián)系在一起，憑借數(shù)據(jù)交互接口達(dá)成氣動載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實時傳遞，保證載荷作用的時變特性以及結(jié)構(gòu)變形的反饋效應(yīng)可被準(zhǔn)確捕捉，呈現(xiàn)了流固雙向耦合的本質(zhì)。結(jié)構(gòu)安全性依靠最大等效應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力的約束來保障，葉片徑向變形量被限制在葉尖間隙安全閾值范圍之內(nèi)。

三、氣動-結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計與結(jié)果分析

（一）目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)構(gòu)建

設(shè)計變量的篩選是依據(jù)前期敏感性分析的結(jié)果來進(jìn)行的，從中挑選出那些對氣動性能以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)有著明顯影響的幾何參數(shù)，像葉片前緣傾角、最大厚度位置、葉片弦長以及葉片彎曲度等，目標(biāo)函數(shù)的定義運用了多目標(biāo)優(yōu)化策略，主要覆蓋氣動效率最大化和壓比最大化這兩項指標(biāo)。葉片前緣傾角發(fā)生改變時，可有效地對流體入口角度進(jìn)行調(diào)控，改善葉片捕獲氣流的能力，以此提升氣動效率，而最大厚度位置的調(diào)整則兼顧了氣動性能與結(jié)構(gòu)強度，合理的厚度分布可減少局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，將結(jié)構(gòu)強度作為約束函數(shù)引入，以此保證在優(yōu)化過程中葉片的應(yīng)力水平不會超過材料極限，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險。

（二）優(yōu)化過程分析：參數(shù)敏感性驅(qū)動下的Pareto前沿解集與最優(yōu)方案決策

運用TOPSIS多屬性決策方法來對Pareto解集開展綜合排序工作，將氣動效率、機械強度以及振動響應(yīng)等關(guān)鍵指標(biāo)結(jié)合起來，挑選出兼顧性能與安全的平衡方案，借助NSGA-II算法，依據(jù)對設(shè)計變量的敏感性進(jìn)行排序，使得優(yōu)化過程優(yōu)先把重點放在對目標(biāo)函數(shù)影響較大的參數(shù)上。對比優(yōu)化前后的性能表現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案在氣動效率方面有較為十分突出的提升，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平得到了有效地控制，整體穩(wěn)定性也有了比較大的提高。

四、結(jié)語

本文借助參數(shù)化建模以及流固耦合仿真技術(shù)，搭建起了增壓透平膨脹機壓機輪氣動-結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)框架，憑借構(gòu)建葉片幾何的高維控制參數(shù)體系，再結(jié)合參數(shù)敏感性分析來篩選關(guān)鍵設(shè)計變量，以此達(dá)成設(shè)計空間的有效約束與調(diào)控，運用瞬態(tài)CFD與FEM雙向耦合機制，可準(zhǔn)確捕捉氣動載荷對葉輪結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)變形對流場的反饋影響，提升仿真精度與物理真實性?；陧憫?yīng)面代理模型構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化框架，兼顧氣動效率最大化和結(jié)構(gòu)強度約束，生成Pareto前沿解集來揭示性能權(quán)衡關(guān)系，優(yōu)化結(jié)果顯示，壓機輪的氣動效率和壓比都有所提升，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低。

文章來源：《產(chǎn)品可靠性報告》http://12-baidu.cn/w/kj/32519.html 

馬加爵”案，；2004年湖南省湘潭市第二技工學(xué)校命案；2008年10月21日，浙江省麗水市縉云縣盤溪中學(xué)31歲女教師潘偉仙，被自己的學(xué)生丁某掐死后棄尸荒野；2008年10月28日，中國政法大學(xué)43歲的教授程春明被本校學(xué)生付成勵砍死在講臺上；2010年福建南平實驗小學(xué)血案，緊接著在短短2個多月的時間內(nèi)發(fā)生六起校園暴力的惡性犯罪……愈演愈烈的校園暴力犯罪令人震驚，給書聲朗朗的平靜之地蒙上了一層陰影。校園暴力犯罪已不僅僅是校園內(nèi)部的問題，它已經(jīng)成為了一大社會問題，危害極大。因此，透視校園暴力犯罪問題的成因，思辨其解決對策，刻不容緩。
一、校園暴力犯罪問題之成因解析
校園暴力是指暴力是指暴力實施者使用嚴(yán)重的暴力手段或者以暴力相威脅，破壞校園的學(xué)習(xí)環(huán)境并且給校園的生活秩序造成嚴(yán)重的危險或構(gòu)成嚴(yán)重威脅的多種犯罪案件的總稱。 引起校園暴力犯罪的因素絕不是孤立的，它是各種因素相整合而導(dǎo)致的結(jié)果。
（一）犯罪人個體成因
實施暴力犯罪的犯罪人在心理上或多或少存在一些問題，從而導(dǎo)致了犯罪行為的產(chǎn)生。犯罪人個體成因主要有以下幾種情形：
1、沒有正確的控制與認(rèn)識能力。通常表現(xiàn)為從旁觀者變?yōu)檎厥抡?，本來與事件毫無關(guān)系的主體，因情緒受挫不穩(wěn)，引起情緒上的沖動和憤怒，在“義”道的驅(qū)使下尋求發(fā)泄，成為了暴力犯罪的幫兇。
2、糾紛導(dǎo)致矛盾激化。校園中同學(xué)與老師之間，同學(xué)與同學(xué)之間發(fā)生糾紛以后，沒有及時化解矛盾，導(dǎo)致事態(tài)進(jìn)一步擴大而演變成了暴力犯罪，在激化的沖突中釀成悲劇。
（二）犯罪客觀成因
筆者認(rèn)為，校園暴力犯罪的社會成因有如下述：
1、家庭原因。家庭始終是預(yù)防未成年人犯罪的首要屏障。未成年子女的監(jiān)護(hù)人沒有履行好自己的管教責(zé)任，引導(dǎo)子女行為失效，從而失去了家庭對子女應(yīng)有的保護(hù)作用。表現(xiàn)在以下幾個方面：一是監(jiān)護(hù)人因外出打工等原因無力教育和監(jiān)管自己的子女，導(dǎo)致子女任性和清高的心理因素見長，認(rèn)為遇到問題完全可以靠暴力來解決；二是低質(zhì)量的生活環(huán)境無法保障子女接受正常的教育，如父母離異，家庭貧困等，使子女過早的流入社會，沾染了惡習(xí)；三是對子女自身防范的家庭教育缺失。由于未成年子女沒有完全生活上的自理能力，其頭腦中并沒有一定的防范意識，監(jiān)護(hù)人完全將子女的安全責(zé)任寄托在學(xué)校老師的身上，導(dǎo)致了施暴人輕易得逞。
2、學(xué)校原因。假如孩子在家庭教育中有缺失的話，那么學(xué)校就必須“補位”，履行教育職責(zé)，使那些沒有樹立正確意識的孩子重回正軌?！敖煺叱?，近墨者黑”，孩子從小接受良好的教育，與違法犯罪人員接觸得越少，越軌行為和失范行為就越不易發(fā)生。但現(xiàn)實情況是，學(xué)校對于一些所謂的“問題學(xué)生”管理不嚴(yán)，使其過早的流入社會，導(dǎo)致其擾亂學(xué)校正常的作息制度，影響了其他學(xué)生。學(xué)校在應(yīng)試教育的“桎梏”下，注重智力教育，忽視德育教育，學(xué)生在德育上的缺失成為了一大危險因素。另外，有的學(xué)校一位的追求擴大招生，在硬件設(shè)施建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有跟上要求的情況下，使更多的學(xué)生在原有的狀況下學(xué)習(xí)，難免會產(chǎn)生摩擦與矛盾。學(xué)生一時解決不了，就會訴諸暴力。
3、社會因素。自控能力不足的未成年人暴露在社會中，容易被引誘。隨著我國經(jīng)濟(jì)、文化的發(fā)展，文化的多樣性充分的表現(xiàn)出來，負(fù)面文化對社會尤其是未成年人的侵蝕不容忽視。淫穢書刊、暴力網(wǎng)絡(luò)游戲、暴力影視作品等影響，使未成年人迷失了自我。
二、校園暴力犯罪問題之對策思考
連續(xù)發(fā)生的校園暴力犯罪是前述成因綜合導(dǎo)致的結(jié)果，成因的復(fù)雜性導(dǎo)致了提出對策的艱巨性和系統(tǒng)性。如何防控校園暴力犯罪，不僅是家庭、學(xué)校的責(zé)任，更是司法機關(guān)和社會的艱巨職責(zé)。
（一）家庭預(yù)防
無論何種校園暴力，都能在家庭中找到其影子。每一個家庭都有其實際情況，針對不同的情況應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施。家長作為監(jiān)護(hù)人應(yīng)當(dāng)經(jīng)常、及時的與孩子溝通，避免孩子親情感的缺失；對于家庭條件較差的留守兒童，應(yīng)當(dāng)設(shè)置代管人，替監(jiān)護(hù)人履行監(jiān)管責(zé)任，讓孩子形成正確的觀念，不至于行為越軌和失范。
（二）學(xué)校預(yù)防
根據(jù)2010年周永康在全國綜合治理維穩(wěn)工作電視電話會議上“加強學(xué)校幼兒園安全保衛(wèi)工作，為孩子創(chuàng)造平安和諧社會環(huán)境”的講話，學(xué)校作為預(yù)防校園暴力犯罪的重要角色和地位被凸顯出來。
1、進(jìn)一步增強大局意識，牢固樹立“穩(wěn)定是第一責(zé)任”和“安全重于泰山”的學(xué)校工作理念，明確第一責(zé)任人和直接責(zé)任人。
2、結(jié)合學(xué)校的實際情況，加強組織領(lǐng)導(dǎo)，全面做好學(xué)生安全工作，對學(xué)生開展法制思想教育和安全教育，掌握學(xué)生思想動態(tài)。加強和完善群防群治組織，對重點時段和重點區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，防止學(xué)生受到不法侵害。
3、加強學(xué)生的心里健康教育，培養(yǎng)其良好的心理素質(zhì)?？梢越⑿睦碜稍兪?，開辦校園網(wǎng)，建立心理健康專欄，進(jìn)行心理健康方面的知識講座等。
（三）社會預(yù)防
1、鼓勵創(chuàng)辦未成年人的活動場所，積極組織未成年人參加各種健康的文化娛樂活動。可以采取建立基金組織的方式，保障活動的經(jīng)費來源，以促使其長久持續(xù)的開展。
2、加大監(jiān)督力度，對非法容留未成年人的網(wǎng)吧、歌廳等娛樂場所予以曝光或批評指責(zé)。
3、建立渠道通暢的利益表達(dá)機制，保護(hù)個人的基本權(quán)益，保護(hù)弱勢群體的利益，同時還需加強對邊緣人的救濟(jì)和幫助，消解強弱矛盾和貧富差距。從“南平慘案”來看，建立通暢的社會群體心理發(fā)現(xiàn)和干預(yù)渠道，迫在眉睫。
（四）司法預(yù)防
1、引導(dǎo)社會力量參與預(yù)防。司法機關(guān)應(yīng)當(dāng)加強對網(wǎng)吧、圖書館、食堂等場所的治理管理，定期舉辦司法宣傳教育。
2、“以法律為依據(jù)，以事實為準(zhǔn)繩”，依法審判，正確定罪與量刑，不因犯罪人身份或經(jīng)濟(jì)地位而區(qū)別對待，否定特殊化審判。
3、懲罰與預(yù)防相結(jié)合，適量做到刑罰的人性化。個別案件中，還可以采用“猶豫制度”進(jìn)行處理。所謂“猶豫制度”，是指目前整個刑事司法體系在處理有關(guān)法律問題的時候，包括警察機關(guān)的犯罪偵查、檢察機關(guān)的追訴犯罪、法院的審判以及監(jiān)所的行刑等。換言之，“猶豫制度”乃針對刑事司法的各個階段，分別檢查其可否暫緩國家刑罰權(quán)執(zhí)行的制度。 該制度的理念有利于幫助犯罪人重新回歸社會。
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