專利名稱：汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種汽車液力變矩器的設計方法，特別涉及一種對已 有液力變矩器葉柵系統(tǒng)進行改形的方法。
背景技術：
液力變矩器是自動變速器系統(tǒng)的關鍵部件之一，其性能對整車性 能起著重要影響。由于液力變矩器內流場的復雜性，其設計基本是基 于簡化的一維束流模型以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行反復試制試驗。這種方法的 缺點是誤差大，設計周期長，且可能無法達到最優(yōu)性能。發(fā)明內容本發(fā)明提供了一種利用已有的液力變矩器CAD模型對液力變矩 器葉柵系統(tǒng)進行優(yōu)化，在保留原有流道特征的前提下，以葉片進、出 口角為指導參數(shù)，實現(xiàn)對葉片形狀的修改，從而達到提高液力變矩器 性能的汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法。為了解決以上的技術問題，本發(fā)明提供了一種汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法，該改形方法包括以下的步驟① 獲取已有液力變矩器葉柵系統(tǒng)幾何信息；② 計算葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的目標進、出口角；③ 進入遺傳算法程序開始迭代計算；④ 隨機修改各點坐標，生成初始群體；⑤ 計算修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角；⑥ 判斷修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角與步驟②中 計算所得目標進出口角的符合程度；⑦ 符合程度高，進行遺傳算子操作，若達到最大進化代數(shù)，則轉下一 步驟；符合程度低，則該個體被淘汰；⑧ 得到所求的兩條曲線，構建新的CAD模型。所述獲取已有液力變矩器葉柵系統(tǒng)幾何信息的是根據(jù)已有液力 變矩器CAD模型，分別獲取各葉輪葉片內、外環(huán)流線上若干均勻分布 點的坐標信息。所述計算葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的目標進、出口角的方法是葉片中間流線上葉片進、出口角與內、外環(huán)上進、出口角之間滿 足反勢流理論所描述的關系，艮P:<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，/ 表示葉片中間流線進、出口角；A表示葉片內環(huán)上進、出口角；A表示葉片外環(huán)上進、出口角； r表示葉片中間流線進、出口處半徑； C表示葉片內環(huán)上進、出口處半徑； r。表示葉片外環(huán)上進、出口處半徑。 所述修改各點坐標的方法是為保證修改后各點仍位于循環(huán)圓內、外環(huán)曲面上，通過將各點在 垂直軸線的平面上繞中心軸旋轉一定角度來實現(xiàn)對各點坐標的修改； 修改后各點坐標為乂 = /少,2 + z,2 x cos(|arctan (z, / .y,) + <9, |) ( II )z,. = -a/乂2 + z,2 x sin(|arctan (/ 乂) +《|)其中，(;c,j,，z,)為修改前各點的坐標；《為各點旋轉角度。在本發(fā)明中，根據(jù)改變的葉片進、出口曲面范圍，固定中間部分 若干點坐標，所固定點處的葉片曲面將不改變。所述計算修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角的方 法是首先運用最小二乘法將修改后葉片與內、外環(huán)交線各點坐標擬合 成3次的空間曲線x， = a0 ++ "2z'_ + a3/(in)其中，f為各點序號；如葉片與內、外環(huán)的交線分別由W個點描述，定義進口處點序號 為l，出口處點序號為A-。其中各項系數(shù)的計算式為-<formula>formula see original document page 9</formula>內、外環(huán)上葉片進出口角為;剩(IV)r為葉片與循環(huán)圓內，外環(huán)交線進口處的切矢量，按照空間曲線切線方程的求法，有如下結果 設某空間曲線的參數(shù)方程為，力W則其在(x。，;;。,z。)點的切線方程為r-/A)二少-/A) -/:(" 化)—力("—按照擬合得到的曲線方程-義=(3。 + a/ + a2f2 + a3"可得進口處，r,+2a2+3a;A+262+363，c,+2c2+3c3); 出口處，r =+ 2a2W + 3"3,6, + 262iV + 363 V2， + 2。W + 3c37V2); W為葉片與循環(huán)圓內外環(huán)交線進口處圓周速度切矢量，按照空間 曲線切線方程的求法，有如下結果 圓的參數(shù)方程為義=x0z = / cos61其中，0《"2/ro其在(x。，y。，z。)點，即曲線在e-《處的切線方程為KX。< y — ■/ sin_ z - 7 cos <90 7 cos《 —7 sin 6*0切矢量為N-(0，/ cos《，一/ sin《)。其中，7 cos《=7^ cos《； -及sin《=+ z02 sin《，計算進口角 時K，;vz。)為進口點坐標，《為該點角度；計算出口角時(x。，力,z。)為 出口點坐標，《為該點角度。所述遺傳算法包括如下的步驟 1 ) 建立優(yōu)化問題的目標函數(shù)集 ，2) 編碼及初始化種群；3) 計算各個體適應度；4) 判斷是否滿足條件？符合程度低的，則淘汰；符合程度高的，則進入下一步；5) 遺傳算子操作，達到最大迸化代數(shù)；6) 結束。其中1、優(yōu)化目標為maX，)-l/|A。/-/Lj其中，Q表示解空間；P表示優(yōu)化變量向量；A。,表示修改后葉片內、外環(huán)設計流線進、出口角；./111111(V)A^,表示葉片內、外環(huán)流線目標進、出口角； /,(^)表示優(yōu)化約束的向量；'表示優(yōu)化向量需滿足的最小值； 表示優(yōu)化向量需要滿足的最大值。2、 優(yōu)化變量為其中，《為所求曲線上進、出口段被修改各點旋轉角度值， 優(yōu)化約束-《=--_其中， 表示優(yōu)化范圍的最大值； 表示優(yōu)化范圍的最小值； c/;ww —va/we由染色體數(shù)量確定，取63。3、 編碼以及群體初始化采用二進制編碼，艮P:其中，^"為6位二進制數(shù)；采用一致隨機方式選取初始群體，染色體個數(shù)為18，群體數(shù)量為1000。適應度函數(shù)為、， (VI)當不滿足約束條件，即對于進口角《>《〉...>《>()或《 <0， 對于出口 角 ,>0 或 < —, <... < —,< 0時適應度函數(shù)為<formula>formula see original document page 13</formula>4、 遺傳算子選擇算子，采用蒙特卡洛選擇。各個體被選擇的概率和其適應度 值成比例，適應度函數(shù)值高的個體，其在輪盤上所占的扇面比例則高， 被選中的幾率也大。數(shù)學表達為<formula>formula see original document page 13</formula>其中，/ = 1，2...M。交叉算子，采用非一致算術交叉算子。數(shù)學表達為<formula>formula see original document page 13</formula>其中W^^為基因第一次變換前的情況；W/7"^為基因第一次變換后的情況； 為基因第二次變換后的情況； 6/wa 分基因第二次變換后的情況； 義,為服從均勻分布的隨機數(shù)。 變異算子，變異運算采用均勻變異操作。變異時選擇產生變異的 個體《，對應于群體中的二進制形式為6/"m7,,然后隨機產生變異基 因的位置，根據(jù)二進制特點將O改為1，或者將1改為0，產生新的變異后的個體。5、 遺傳算子的運行參數(shù)編碼長度為18; 群體大小為1000; 交叉概率為0.6;變異概率為O. 02; 終止代數(shù)為200。本發(fā)明的優(yōu)越功效在于本發(fā)明結合CFD仿真計算，有利于減 少實物試驗次數(shù)，縮短液力變矩器開發(fā)設計周期、降低開發(fā)成本、提 高液力變矩器企業(yè)產品系列化程度。


圖1為本發(fā)明的改形方法流程圖； 圖2為本發(fā)明葉片內外環(huán)上進、出口角的定義圖； 圖3為本發(fā)明遺傳算法的流程圖； 圖4為本發(fā)明的渦輪新模型；圖5為本發(fā)明的流道模型。
具體實施方式
請參閱附圖所示，對本發(fā)明作進一步的描述。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法，該改形方法包括以下的步驟① 獲取已有液力變矩器葉柵系統(tǒng)幾何信息；② 計算葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的目標進、出口角；③ 進入遺傳算法程序開始迭代計算； (D隨機修改各點坐標，生成初始群體；⑤ 計算修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角；⑥ 判斷修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角與步驟②中 計算所得目標進出口角的符合程度；⑦ 符合程度高，進行遺傳算子操作，將該個體遺傳至下一代，進一步進行交叉和變異，以期得到符合程度更高的點坐標組合，若達到最大 進化代數(shù)，則轉下一步驟； 符合程度低，則該個體被淘汰； ⑧得到所求的兩條曲線，構建新的CAD模型。所述獲取己有液力變矩器葉柵系統(tǒng)幾何信息的是根據(jù)已有液力 變矩器CAD模型，分別獲取各葉輪葉片內、外環(huán)流線上若干均勻分布 點的坐標信息。所述計算葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的目標進、出口角的方法是:葉片中間流線上葉片進、出口角與內、外環(huán)上進、出口角之間滿 足反勢流理論所描述的關系，即- " C I )+ cr0 X cot pcot / 。 = -2-^_ 廠其中，"表示葉片中間流線進、出口角； A表示葉片內環(huán)上進、出口角；A表示葉片外環(huán)上進、出口角；/"表示葉片中間流線進、出口處半徑；r,表示葉片內環(huán)上進、出口處半徑；r。表示葉片外環(huán)上進、出口處半徑。 所述葉片內外環(huán)上進、出口角定義為相對速度與隨體速度之間的 夾角，可以由兩個平面角beta一xy和beta_yz表示而成，如圖2所 示。所述修改各點坐標的方法是為保證修改后各點仍位于循環(huán)圓內、外環(huán)曲面上，通過將各點在垂直軸線的平面上繞中心軸旋轉一定角度來實現(xiàn)對各點坐標的修改； 修改后各點坐標為 ;二 X,< 乂 = ^/>f + z,2 x cos(|arctan (z, / X) +《|) ( II )z, = -7少,2 + z,2 x sin(jarctan (z, / 乂 ) +《|)其中，(W,，z,)為修改前各點的坐標；《為各點旋轉角度。在本發(fā)明中，根據(jù)改變的葉片進、出口曲面范圍，固定中間部分 若干點坐標，所固定點處的葉片曲面將不改變。所述計算修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角的方 法是首先運用最小二乘法將修改后葉片與內、外環(huán)交線各點坐標擬合 成3次的空間曲線j少'=6。 + 6j' + 62/2 + 63/3 (III)z ， = c0 + c,/ + c2/2 + c3/其中，/為各點序號；如葉片與內、外環(huán)的交線分別由;V個點描述，定義進口處點序號 為l，出口處點序號為W。其中各項系數(shù)的計算式為內、外環(huán)上葉片進出口角為-0 = arccos兩、r為葉片與循環(huán)圓內，外環(huán)交線進口處的切矢: 切線方程的求法，有如下結果設某空間曲線的參數(shù)方程為p，(IV):，按照空間曲線則其在(;c。，少。,z。)點的切線方程為:久'-/A) = z-Wo)— /;("—化)按照擬合得到的曲線方程:可得進口處，r = (a, + 2a2 + 3a3，6, + 262 + 363,c, + 2c2 + 3c3); 出口處，T =+ 2a2Ar + 3a3W2,6, + 2&2W + 363iV2 ， c, + 2c2W + 3c3W2); 7V為葉片與循環(huán)圓內外環(huán)交線進口處圓周速度切矢量，按照空間 曲線切線方程的求法，有如下結果圓的參數(shù)方程為:z = 7 cos (917其中，""2;r。
其在(x。，^z。)點，即曲線在^ = 6>。處的切線方程為
'少—7 si《—z-7 cos0o
切矢量為
N-(0，及cos《，-及sin《)。
其中，i cos《=*02 + :;' c。s《；-A sin《=-"+ z02 sin《，計算進口角 時(x。,7。，z。)為進口點坐標，《為該點角度；計算出口角時(x。,少。,z。)為 出口點坐標，《為該點角度。
如圖3所示，所述遺傳算法包括如下的步驟 1 、 建立優(yōu)化問題的目標函數(shù)集；
2、 編碼及初始化種群；
3、 計算各個體適應度；
4、 判斷是否滿足條件？
符合程度低的，則淘汰；符合程度高的，則進入下一步；
5、 遺傳算子操作，達到最大進化代數(shù)；
6、 結束。
通過以上的步驟，結合計算流體動力學(CFD)的分析結果就可 以完成液力變矩器的改形設計與優(yōu)化，優(yōu)化得到的CAD模型能通過現(xiàn) 代計算機輔助制造(CAM)快速生成原型，通過實驗驗證如果滿足性 能要求就可以進行量產。因此本發(fā)明有著較高的實用價值。 其中1、優(yōu)化目標為2、
maxF的-l/lA。,-/U
,"訓〈G")〈G隨7 = 1，2.
其中，Q表示解空間；
P表示優(yōu)化變量向量；
A。,表示修改后葉片內、外環(huán)設計流線進、出口角； A，表示葉片內、外環(huán)流線目標進、出口角； /,狗表示優(yōu)化約束的向量； /一n表示優(yōu)化向量需滿足的最小值；
,^表示優(yōu)化向量需要滿足的最大值。 優(yōu)化變量為
其中，《為所求曲線上進、出口段被修改各點旋轉角度值
優(yōu)化約束 ^ 一
(v)
其中， 表示優(yōu)化范圍的最大值； 表示優(yōu)化范圍的最小值； d2TOW _ v"/we由染色體數(shù)量確定，取63 。 3、 編碼以及群體初始化
采用二進制編碼，艮P: 《=Z /wa/7,
其中，6/朋^為6位二進制數(shù)；
采用一致隨機方式選取初始群體，染色體個數(shù)為18，群體數(shù)量為
1000。
適應度函數(shù)為一1 ! (vi)
j〃ai/ Marge/1
當不滿足約束條件，即對于進口角《〉《>...>《>()或 《<《< — <《<0 ， 對于出 口 角 , >0 或 <, <... < _, < 0時適應度函數(shù)為
/"W) = r^~~ , ,. (VII)
IH |+10
4、 遺傳算子
選擇算子，采用蒙特卡洛選擇。各個體被選擇的概率和其適應度 值成比例，適應度函數(shù)值高的個體，其在輪盤上所占的扇面比例則高， 被選中的幾率也大。數(shù)學表達為
其中，/ = 1，2...M。
交叉算子，采用非一致算術交叉算子。數(shù)學表達為
6/mjr乂 =義,6/"a/^ + (1 - A》/"a/^2
6z>^772 = (1 -義,)6/""r乂 + /i,Z>/"a 72 / e {1， 2,…10}
其中&>7"^為基因第一次變換前的情況； 為基因第一次變換后的情況； w"" 為基因第二次變換后的情況； 6/mw分基因第二次變換后的情況； 義,為服從均勻分布的隨機數(shù)。 變異算子，變異運算采用均勻變異操作。變異時選擇產生變異的 個體《，對應于群體中的二進制形式為6/^^,，然后隨機產生變異基 因的位置，根據(jù)二進制特點將0改為1，或者將1改為0，產生新的5、 遺傳算子的運行參數(shù)
編碼長度為18; 群體大小為1000; 交叉概率為0.6; 變異概率為0.02; 終止代數(shù)為200。
現(xiàn)有一款基于Pro/E軟件的液力變距器CAD模型，將渦輪葉片定 為改形對象。原渦輪葉片中間流線進、出口角分別為35。和14T，在本 實施例中將中間流線進口角改為30° ，中間流線出口角改為13(T 。
1.測取點坐標
利用Pro/E測取點坐標的工具，取各點坐標。
以渦輪為例，任選一個葉片，在其壓力面與循環(huán)圓內外環(huán)相交的 曲線上，大致均勻地測取9個點(以9個點為例)，記錄其三坐標值， 注意，這9個點必須包括進口處頂點和出口處頂點。
2. 調用程序，計算出改形后的葉片與循環(huán)圓內外環(huán)交線，即分別 為葉片與內外環(huán)交線的曲線方程。
3. 將改型后葉片內、外環(huán)流線導入Pro/E中，完成新的變矩器CAD 模型構建，最終得到渦輪新模型，如圖4所示。
4. 建立流道模型
建立新的液力變矩器流道模型，如圖5，進行CFD仿真計算，為 下一輪改形提供仿真計算依據(jù)。
權利要求
1、一種汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法，其特征在于該改形方法包括以下的步驟①獲取已有液力變矩器葉柵系統(tǒng)幾何信息；②計算葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的目標進、出口角；③進入遺傳算法程序開始迭代計算；④隨機修改各點坐標，生成初始群體；⑤計算修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角；⑥判斷修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角與步驟②中計算所得目標進出口角的符合程度；⑦符合程度高，進行遺傳算子操作，若達到最大進化代數(shù)，則轉下一步驟；符合程度低，則該個體被淘汰；⑧得到所求的兩條曲線，構建新的CAD模型。
2、 按權利要求1所述的汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法， 其特征在于-所述計算葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的目標進、出口角的方法是葉片中間流線上葉片進、出口角與內、外環(huán)上進、出口角之間滿 足反勢流理論所描述的關系，艮P: <formula>formula see original document page 2</formula>其中，"表示葉片中間流線進、出口角；/ ,表示葉片內環(huán)上進、出口角；A表示葉片外環(huán)上進、出口角；r表示葉片中間流線進、出口處半徑； r,表示葉片內環(huán)上進、出口處半徑； r。表示葉片外環(huán)上進、出口處半徑。
3、 按權利要求1所述的汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法， 其特征在于所述修改各點坐標的方法是為保證修改后各點仍位于循環(huán)圓內、外環(huán)曲面上，通過將各點在垂直軸線的平面上繞中心軸旋轉一定角度來實現(xiàn)對各點坐標的修改；修改后各點坐標為 a:; =x,'乂 = V乂2 +z'2 x c。s(|arctan + 6>, |) ( II )z; = -V乂2 +z'2 x sin(|arctan (z, / _y,) + 6>, |)其中，(;c,，乂,z,)為修改前各點的坐標；《為各點旋轉角度。
4、 按權利要求1所述的汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法， 其特征在于-所述計算修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角的方 法是首先運用最小二乘法將修改后葉片與內、外環(huán)交線各點坐標擬合成3次的空間曲線x' = a0 + a!/ + a2/2 + a3,3 <y' = 60 + 、/ + 62r+6/ (III)z ' = c。 + + c2/2 + c3/3其中，/為各點序號；如葉片與內、外環(huán)的交線分別由7V個點描述，定義進口處點序號 為l，出口處點序號為A'。其中各項系數(shù)的計算式為jN0內、外環(huán)上葉片進出口角為.-0 二 arccosr為葉片與循環(huán)圓內，外環(huán)交線進口處的切矢: 切線方程的求法，有如下結果設某空間曲線的參數(shù)方程為(IV):，按照空間曲線則其在Oc。,y。，z。)點的切線方程為化)—/》0) — z;(o按照擬合得到的曲線方程:可得進口處，7 = (", +2"2 +3"3A +2Z 2 +363，6 +2c2 +3c3)ol一II力I力Mil出口處，r = (a, + 2a2W + 3a37V2,6, + 26, + 363iV2, c, + 2c2 A, + 3c3); W為葉片與循環(huán)圓內外環(huán)交線進口處圓周速度切矢量，按照空間 曲線切線方程的求法，有如下結果 圓的參數(shù)方程為z = AcosS其中，""2;r。其在0c。，少。，z。)點，即曲線在^ =《處的切線方程為 切矢量為N二(0,i cos&，一Wsin《)。其中，Acos《=Vjf02 + z02 cos6>0 ; -i sin《=-7y02+202 sin《，計算進口角 時0c。，^，z。)為進口點坐標，《為該點角度；計算出口角時K，少。，z。)為 出口點坐標，《為該點角度。
5、按權利要求1所述的汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法， 其特征在于所述遺傳算法包括如下的步驟 1 ) 建立優(yōu)化問題的目標函數(shù)集；2) 編碼及初始化種群；3) 計算各個體適應度；4) 判斷是否滿足條件？符合程度低的個體，會在下一輪循環(huán)迭代中被淘汰; 符合程度高的，則進入下一步；5) 遺傳算子操作，達到最大進化代數(shù)；6) 結束。
全文摘要
本發(fā)明一種汽車液力變矩器葉柵系統(tǒng)的改形方法的步驟是1)獲取已有液力變矩器葉柵系統(tǒng)幾何信息；2)計算葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的目標進、出口角；3)進入遺傳算法程序開始迭代計算；4)隨機修改各點坐標，生成初始群體；5)計算修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角；6)判斷修改后葉片與循環(huán)圓內、外環(huán)交線上的進、出口角與步驟2中計算所得目標進出口角的符合程度；7)符合程度高，則該個體遺傳至下一代，進一步進行交叉和變異，以期得到符合程度更高的點坐標組合；符合程度低，則該個體被淘汰。本發(fā)明的優(yōu)點是對已有液力變矩器CAD模型的修改，進而實現(xiàn)對液力變矩器的優(yōu)化。
文檔編號F16H41/00GK101614272SQ20091005518
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權日2009年7月22日
發(fā)明者冀海燕, 吳光強, 珺 李, 殷學仙, 歡 王, 王立軍, 程建平, 祥 陳, 陳曙光, 顧文清 申請人:上海薩克斯動力總成部件系統(tǒng)有限公司;同濟大學