魏 巍, 李 春, 劉博深
(1.北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081;2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京100081)
液力變矩器葉柵數(shù)據(jù)庫(kù)模塊化封裝集成設(shè)計(jì)方法研究
魏 巍1,2, 李 春2, 劉博深2
(1.北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081;2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京100081)
在開展液力元件葉柵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),僅包括葉形參數(shù)化、束流計(jì)算或三維流動(dòng)分析、性能的優(yōu)化與優(yōu)選的全新正向設(shè)計(jì)是不夠全面的,還應(yīng)將以往成熟設(shè)計(jì)結(jié)果納入設(shè)計(jì)體系共享,以提高設(shè)計(jì)精度,有效避免信息孤島現(xiàn)象的出現(xiàn).通過對(duì)設(shè)計(jì)存量資源的整理和發(fā)掘,分別構(gòu)建葉片幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)和傳動(dòng)性能計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)兩類數(shù)據(jù)庫(kù)之間映射關(guān)系的設(shè)計(jì)過程模塊化封裝,將正向設(shè)計(jì)的建模、計(jì)算和優(yōu)化等過程,以及逆向設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集和曲面重構(gòu)等環(huán)節(jié),分別集成到基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的設(shè)計(jì)平臺(tái)之上,為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供較為完整的設(shè)計(jì)手段.這個(gè)平臺(tái)一方面可以為基型設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)提供了多個(gè)較為成熟的現(xiàn)有葉柵系列及其性能參考,另一方面基于數(shù)據(jù)庫(kù)中已有大量得到驗(yàn)證的葉柵配置,在優(yōu)化搜索過程中能夠有效地縮減正向計(jì)算規(guī)模,提升設(shè)計(jì)精度.
流體傳動(dòng)與控制;液力元件;數(shù)據(jù)庫(kù);模塊化封裝;集成設(shè)計(jì)
在工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)階段中,會(huì)產(chǎn)生大量記錄研究過程中關(guān)鍵信息的數(shù)據(jù),借助數(shù)據(jù)庫(kù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等技術(shù),可以將這些研發(fā)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)有序組織、存儲(chǔ)、獲取和管理[1],實(shí)現(xiàn)對(duì)這些關(guān)鍵信息進(jìn)行處理、分析和理解[2];而對(duì)伴隨著這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)過程的組織、調(diào)度和管理,則為產(chǎn)品相關(guān)信息的有效宏觀管理和控制提供了可能,同時(shí)也為基于知識(shí)工程的產(chǎn)品研發(fā)并行協(xié)作環(huán)境的建立提供了條件.
但如何整理既有研究基礎(chǔ)及其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息,與現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程組織有效結(jié)合,形成構(gòu)建于大量存量資源基礎(chǔ)之上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與過程管理方法,以提升設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品精度,是眾多研究人員難以回避的重要問題,也是在液力元件葉柵開發(fā)過程中亟待解決的課題.如Beichley和Kost[3]將CAD系統(tǒng)與交叉學(xué)科數(shù)據(jù)庫(kù)與三維實(shí)體建模方法相結(jié)合,建立了一個(gè)集成的繪圖、設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng),避免了建模和仿真流程的間隙,從而提高了設(shè)計(jì)效率.Paquet和Rioux[4]則在三維模型和圖像數(shù)據(jù)庫(kù)管理研究中,提出了一種新高效檢索方法.El-Hefnawy和Somia[5]則直接依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)而非傳統(tǒng)數(shù)學(xué)公式擬合,對(duì)三維模型表面進(jìn)行建模,構(gòu)建的智能數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)能夠在不包含特定值時(shí)對(duì)特定數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作.
早期的液力元件的研發(fā)主要憑借經(jīng)驗(yàn)公式和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以及大量樣機(jī)加工和實(shí)驗(yàn)的試誤法來篩選、改進(jìn)和定型設(shè)計(jì).經(jīng)典的一維束流理論框架下,引入的理想化假設(shè)導(dǎo)致預(yù)測(cè)的性能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較大,因此引入了大量經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù).在此基礎(chǔ)上,形成了眾多系列的液力元件葉柵系統(tǒng).隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)和相應(yīng)軟件的發(fā)展,三維流動(dòng)設(shè)計(jì)在液力元件產(chǎn)品研發(fā)過程中扮演著越來越重要的角色,從驗(yàn)算束流設(shè)計(jì)結(jié)果的輔助工具逐漸過渡到聯(lián)系幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)性能的決定性方法,并與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)葉柵系統(tǒng)的全三維設(shè)計(jì)[6-7].同樣,在三維優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中涉及的大量樣本點(diǎn)的計(jì)算,以及對(duì)優(yōu)化結(jié)果的樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn),也形成了大量能夠滿足車輛等行業(yè)使用需求的幾何參數(shù)和性能參數(shù)數(shù)據(jù)[8-11].
文中首先對(duì)既有存量資源中循環(huán)圓、葉形、葉片等幾何結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的專用數(shù)據(jù)庫(kù)開展頂層設(shè)計(jì),基于SQL server建立了各數(shù)據(jù)庫(kù),并由商用軟件EASA對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行封裝,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊在設(shè)計(jì)平臺(tái)上的集成;其次分析流線形和等厚葉片的葉柵系統(tǒng)三維幾何建模過程,編制了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)程序并完成封裝嵌入設(shè)計(jì)平臺(tái);然后以束流設(shè)計(jì)計(jì)算方法為例,編制對(duì)應(yīng)計(jì)算程序并完成封裝,并與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)與傳動(dòng)性能數(shù)據(jù)庫(kù)之間的關(guān)聯(lián)和映射.通過上述的封裝和集成過程,將以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和既有數(shù)據(jù)高度集成,藉由圖形化界面實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中的共享,有效避免信息孤島[12]的存在,在為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考的同時(shí),也為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供性能計(jì)算的標(biāo)定,能夠縮減計(jì)算規(guī)模和提高設(shè)計(jì)精度.
存量資源數(shù)據(jù)是開展新型號(hào)葉柵設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),在對(duì)其的模塊化封裝過程中,首先需要根據(jù)液力元件葉柵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征,開展對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)架設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì),以便實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的批處理入庫(kù),而后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)與集成設(shè)計(jì)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián),并且這種關(guān)聯(lián)關(guān)系能夠體現(xiàn)在圖形化檢索界面中.系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件SQL server與封裝流程管理軟件EASA的關(guān)聯(lián)配置與集成.
在對(duì)液力元件葉柵數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析后,其數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)應(yīng)涵蓋以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:空間葉片實(shí)體數(shù)據(jù)、軸面圖循環(huán)圓數(shù)據(jù)、二維展開圖葉形數(shù)據(jù),以及葉柵對(duì)應(yīng)的原始特性數(shù)據(jù).葉柵數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)架見圖1.
葉片數(shù)據(jù),包括特定型號(hào)正向設(shè)計(jì)中基于循環(huán)圓數(shù)據(jù)和葉形數(shù)據(jù)建模獲得的葉片實(shí)體及其葉片數(shù)目,也包括由逆向工程測(cè)繪掃描獲取特定型號(hào)的葉片實(shí)體及其葉片數(shù)目.雖然通過對(duì)后者的解構(gòu),可以得到對(duì)應(yīng)的循環(huán)圓和葉形數(shù)據(jù),但由于不同類型葉柵系統(tǒng)葉片構(gòu)造假設(shè)和方法的不同,通過獲得數(shù)據(jù)再進(jìn)行正向建??赡軙?huì)存在一定的偏差,需要對(duì)建模方法進(jìn)行一定的適應(yīng)性調(diào)整.葉片實(shí)體模型是葉片數(shù)據(jù)庫(kù)的基本元素,通過對(duì)三維建模軟件的封裝,可以通過設(shè)計(jì)平臺(tái)界面由葉片實(shí)體的存儲(chǔ)地址直接調(diào)用建模軟件.
循環(huán)圓數(shù)據(jù)和葉形數(shù)據(jù),根據(jù)液力變矩器制造工藝的不同分為鑄造型和沖焊型兩類.其中循環(huán)圓數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)各型號(hào)液力變矩器泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的循環(huán)圓軸面設(shè)計(jì)參數(shù),如內(nèi)、外環(huán)和中間流線擬合圓弧的圓心位置和坐標(biāo),內(nèi)、外環(huán)和中間流線入出口邊位置,對(duì)于扁平循環(huán)圓等較為特殊的循環(huán)圓則存儲(chǔ)內(nèi)、外環(huán)和中間流線的軸面樣條坐標(biāo)值等參數(shù);葉形數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)內(nèi)、外環(huán)和中間流線的葉片入、出口角等相關(guān)葉片形狀參數(shù).
圖1 液力元件葉柵數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)架
特性數(shù)據(jù)包括對(duì)應(yīng)于給定型號(hào)的葉片數(shù)據(jù)、循環(huán)圓數(shù)據(jù)和葉形數(shù)據(jù)的葉柵系統(tǒng)的計(jì)算或?qū)嶒?yàn)穩(wěn)態(tài)原始特性,包括效率曲線、變矩比曲線、泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)或公稱轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線等.
基于層次嵌套關(guān)系模型,構(gòu)建以上數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表間邏輯關(guān)系,見圖2.
其中所謂“層次”,是通過數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)表與數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系體現(xiàn)出來的,例如液力變矩器數(shù)據(jù)表是葉形數(shù)據(jù)表的上一層,而葉形數(shù)據(jù)表又是鑄造型泵輪葉形數(shù)據(jù)表的上一層.而對(duì)于模型中的“關(guān)系”,則是通過單張數(shù)據(jù)表中的行與列之間的對(duì)應(yīng)所體現(xiàn)出來的.按照這種層次的劃分,整個(gè)液力變矩器數(shù)據(jù)庫(kù)可以分為5層.在確定導(dǎo)入數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口后,編制各型號(hào)液力元件數(shù)據(jù)卡片,按照分層原則將既有數(shù)據(jù)批處理或逐一導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中.
圖2 液力變矩器數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表間邏輯關(guān)系圖
葉形設(shè)計(jì)模塊封裝的前提,是葉形的參數(shù)化設(shè)計(jì).在實(shí)現(xiàn)葉柵系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建后,需要編制靈活穩(wěn)健的參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)程序,來實(shí)現(xiàn)葉形設(shè)計(jì)功能的模塊封裝.以具有流線形特征的鑄造型液力變矩器葉柵系統(tǒng)為例,介紹對(duì)應(yīng)葉形參數(shù)設(shè)計(jì)模塊并實(shí)現(xiàn)封裝和集成.
流線形葉柵系統(tǒng)的葉形設(shè)計(jì)過程,在系統(tǒng)中采用樣條擬合參數(shù)設(shè)計(jì)方法[13]實(shí)現(xiàn).通過對(duì)這一過程的封裝及其界面設(shè)計(jì),調(diào)用對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄作為輸入,驅(qū)動(dòng)封裝后的葉形設(shè)計(jì)模塊,并將設(shè)計(jì)結(jié)果存入三維葉片實(shí)體模型、二維循環(huán)圓和二維展開圖葉形模型中.
在葉形參數(shù)設(shè)計(jì)模塊中,需要包含以下幾個(gè)功能:1)參數(shù)導(dǎo)入功能,對(duì)于液力元件中承擔(dān)多個(gè)不同功能的多組葉柵,應(yīng)根據(jù)其循環(huán)圓和展開圖構(gòu)造特點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)界面;2)信息編輯與提交計(jì)算功能,對(duì)單次輸入或數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用的數(shù)據(jù),進(jìn)行冗余信息判斷和有效信息篩選提取,并將輸入的數(shù)據(jù)提交給后臺(tái)建模程序,驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)封裝后的科學(xué)計(jì)算軟件和CAD軟件建模;3)結(jié)果顯示功能,系統(tǒng)顯示計(jì)算得到設(shè)計(jì)圖形化建模結(jié)果的同時(shí),列出對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)以便對(duì)照設(shè)計(jì).圖3為某型號(hào)鑄造型液力變矩器葉形數(shù)據(jù)參數(shù)導(dǎo)入界面.
圖3 鑄造型葉柵系統(tǒng)葉形設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入界面
液力元件原始特性的獲取,一方面可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)及其修正公式直接給出,另一方面可以根據(jù)已知葉柵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行工況,通過一維束流計(jì)算或三維流動(dòng)分析對(duì)原始特性進(jìn)行預(yù)測(cè)來獲得.
這里以較易實(shí)現(xiàn)的束流計(jì)算[14]為例開展程序編制和封裝,與葉形設(shè)計(jì)模塊類似,由葉柵數(shù)據(jù)庫(kù)提供驅(qū)動(dòng)特性計(jì)算的有效數(shù)據(jù),通過對(duì)封裝后特性計(jì)算模塊的調(diào)用,以實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計(jì)平臺(tái)中對(duì)原始特性的預(yù)測(cè).在特性計(jì)算模塊中,需要集成如下功能:1)基本計(jì)算所需參數(shù)的輸入或批處理導(dǎo)入,并且需要對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行無因次化,以便進(jìn)行無因次化的能量平衡計(jì)算;2)各葉輪能頭的計(jì)算和葉輪能頭摩擦損失和沖擊損失的計(jì)算,根據(jù)已有原始特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果,標(biāo)定對(duì)應(yīng)類別液力元件隨速比和輸入轉(zhuǎn)速變化的摩擦損失系數(shù)和沖擊損失系數(shù),并擬合對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式;3)循環(huán)流量系數(shù)計(jì)算,和在此基礎(chǔ)上的效率、變矩比和轉(zhuǎn)矩系數(shù)等原始特性參數(shù)計(jì)算.圖4為特性計(jì)算模塊的參數(shù)輸入和結(jié)果輸出交互界面.
圖4 特性計(jì)算模塊的參數(shù)輸入和計(jì)算結(jié)果顯示界面
1)構(gòu)建了集成和封裝以往成熟設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)實(shí)體建模和原始特性計(jì)算等模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)型液力元件集成設(shè)計(jì)平臺(tái),充分利用了既有存量資源和設(shè)計(jì)基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)重要信息的模塊間充分共享,為液力元件葉柵系統(tǒng)的開發(fā)提供了較為完整的設(shè)計(jì)手段.
2)通過對(duì)葉柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性的分析,確定了數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的層次嵌套關(guān)系模型,設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)架及其數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口,利用SQL Server開發(fā)了變矩器專用數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了與集封裝與流程管理軟件EASA的關(guān)聯(lián)配置和集成.
3)集成了三維葉形設(shè)計(jì)和束流特性計(jì)算等功能模塊,為后續(xù)三維流動(dòng)分析和優(yōu)化算法等功能模塊的集成奠定了基礎(chǔ).
[1] 孟曉峰, 周龍?bào)J, 王 珊. 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J]. 軟件學(xué)報(bào),2004,15(12):1822-1836.
[2] 趙俊三, 徐 濤, 趙耀龍, 等.實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)整合和更新方法的技術(shù)研究[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,30(3):6-10.
[3] Beichley W, Kost G. Integrated cad system with interdiscipline models database and 3-dimensional solid modeling[J]. Transactions of the American Nuclear Society,1984,46(1):116-117.
[4] Paquet E, Rioux M. A query by content software for three-dimensional databases management[C]// International Conference on Recent Advances in 3D Digital Imaging and Modeling.Ottawa,Ontario,Canada:[s.n.],1997:354-352.
[5] El-Hefnawy, Somia M. Three-dimensional surface modeling using intelligent database techniques[J]. Procedia Engineering,2011(23):53-59.
[6] Wei Wei, Yan Qingdong. Study on Hydrodynamic Torque Converter Parameter Integrated Optimization Design System Based on Tri-Dimensional Flow Field Theory[C]//SAE International Journal of Fuels and Lubricants,2009,1(1):778-783.
[7] 魏 巍, 閆清東. 液力變矩器泵輪葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(23):6549-6556.
[8] Shieh T, Perng C, Chu D, et al. Torque converter analytical program for blade design process[C]//SAE Technical Paper 2000-01-1145,2000.
[9] Shin S, Chang H, Joo I. Effect of scroll angle on performance of automotive torque converter[C]//SAE Technical Papers 2000-01-1158,2000.
[10]Shin S, Kim K, Kim D,et al. The effect of reactor blade geometry on the performance of an automotive torque converter[C]//SAE Technical Papers 2002-01-0885,2002.
[11]Yang S, Shin S, Bae I, et al. A computer-integrated design strategy for torque converters using virtual modeling and computational flow analysis[C]//SAE Technical Papers 1999-01-1046,1999.
[12]秦艷姣. 信息資源規(guī)劃與企業(yè)信息化[J]. 現(xiàn)代情報(bào),2006,7(7):179-181.
[13]魏 巍, 閆清東. 液力變矩器葉柵系統(tǒng)樣條擬合參數(shù)設(shè)計(jì)體系[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(2):22-26.
[14]楊凱華. 牽引-制動(dòng)型液力變矩器理論及特性計(jì)算[D]. 北京:北京理工大學(xué),2001.
Study on Integrated Design of Cascade Databse Modular Encapsulation for Hydraulic Torque Converter
WEI Wei1,2, LI Chun2, LIU Bo-shen2
(1.National Key Lab of Vehicular Transmission, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China; 2.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
In the process of designing the cascade system, a new forward design is not comprehensive enough only including the blade parameterized modeling, the beam flow calculation or three-dimensional flow analysis, and the optimization of the performance. The design system should be shared with the previous results so as to improve the design precision and avoid the information island phenomenon. According to the existed design materials, both a blade geometry database and a database of containing its performance calculation as well as testing results are built respectively. The design process module with the mapping relationship between the two types of databases is encapsulated. The processes of modeling, calculation and optimization in forward design, and the procedures of data acquisition and surface reconstruction in reversal design are integrated into a platform based on the database technology, providing a set of more complete approach for the actual engineering design. The platform can also provide a number of references of the existing cascade series both in geometry parameters and in performance indexes for the basic and statistical design. Based on a large number of the verified cascade configuration in the database, the scale of forward computation can be effectively reduced and the design precision be improved in the optimization search process.
fluid transmission and control; torque converter; database; modular encapsulation; integrated design
1009-4687(2015)04-0005-05
2015-5-8
國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(50475041);車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C340502120C34126);國(guó)家部委基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新科研基金資助項(xiàng)目(VTDP-2104);部級(jí)預(yù)研項(xiàng)目(40402050202)
魏 巍(1978-),博士,副教授,研究方向?yàn)檐囕v傳動(dòng)及液力傳動(dòng)技術(shù).
TH137.332
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