基于試驗設(shè)計方法的閥門優(yōu)化設(shè)計

熊焱斌

摘要本文以拉斷閥的設(shè)計為載體，利用FloEFD的參數(shù)化研究與實驗設(shè)計（DOE：Design of Experiments）相結(jié)合的辦法，進(jìn)行閥門流線型優(yōu)化設(shè)計。旨在閥門設(shè)計階段，進(jìn)行最優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計。

關(guān)鍵詞拉斷閥，流線型，DOE，D-Optimal

第一章 引言

拉斷閥（又叫緊急脫離裝置）是一種安全部件，它被用在裝卸料過程中防止嚴(yán)重的安全隱患，其通過一個簡單而獨特的設(shè)計，當(dāng)超預(yù)期負(fù)荷力作用在管線上，比如槽罐汽車或者火車在沒有斷開連接的情況下意外移動、輪船位置發(fā)生漂移等情況下觸發(fā)拉斷閥，倆相似部分可以全自動脫開、并各自關(guān)閉，來保護(hù)人員和環(huán)境不受毒害物料的侵害、避免物料流失損耗以及保護(hù)整條管線系統(tǒng)不受非預(yù)期張力破壞。（圖示1.拉斷閥構(gòu)造圖）

拉斷閥因其結(jié)構(gòu)的獨特性，內(nèi)部構(gòu)造會極大的影響介質(zhì)的裝卸效率。為最大地減少流經(jīng)裝卸介質(zhì)的壓力損耗，降低閥門的不利影響，本文主要研究在設(shè)計時借助FloEFD的參數(shù)化研究與DOE相結(jié)合的辦法逐一分析各閥門主尺寸的配合影響，然后利用D-最優(yōu)設(shè)計方法，找到對壓力損失有影響的參數(shù)設(shè)置在何處時（最優(yōu)化的參數(shù)）可使流經(jīng)閥門的壓降達(dá)到最小2，3。

第二章 實體模型的建立

本文中拉斷閥的模型是應(yīng)用Creo 5.0.4.0 建立的。基本模型參數(shù)是基于我司與之配合使用的3”BSP接口LPG裝卸閥數(shù)據(jù)而設(shè)定，并且，參數(shù)的大體范圍也是基于閥門使用環(huán)境及合理性等因素設(shè)置。

（一） 主體目標(biāo)的選取

模型的整體設(shè)計思路是參考海豚的外形來確定閥體內(nèi)腔以及中間對接閥芯的線型進(jìn)而降低局部阻力的影響。中間閥芯的存在不可避免的會使得壓力降低，為減小這一負(fù)面效果，我們研究的重點就落在如何通過線型的優(yōu)化來減小局部阻力，使得壓力降盡可能的小。

在完成大致外形的初步設(shè)計后，我們以閥體入口端擴(kuò)徑處的角度α（模型中尺寸編號d1480）、閥體內(nèi)腔最寬處的長度L1（模型中尺寸編號d1482）、閥體內(nèi)腔最寬處距中心線的距離L2（模型中尺寸編號d1789）、倆相似閥芯接觸面內(nèi)腔的寬度D1（模型中尺寸編號d1478）以及內(nèi)腔最窄處的長度L3（模型中尺寸編號d1469）作為我們的主體因子，以分析各因子之間的交互影響來尋找最佳流體性能的各因子的水平。（圖示2.主體目標(biāo)的選取示意圖）

（二） 關(guān)系式的建立

在內(nèi)腔及閥芯的建模過程中，為了使每一個被分析的組合都切實有效，我們需要將閥芯的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行隨動設(shè)置，即建立與閥體內(nèi)腔尺寸的關(guān)系式。通過一定的關(guān)系設(shè)置，使得我們的主體因子在不同的水平間變換時，閥體內(nèi)腔與閥芯之間流域始終處于此組合中最佳的流線形態(tài)，以期獲得有效的分析數(shù)據(jù)結(jié)果1。（圖示3.關(guān)系式的建立）

例如：“d1533=d1478+4.5”是為了保證密封圈的足夠安裝空間;

“d1790=d1789+10”是為了保證流體從最寬處繞流時，閥芯與閥體形狀能匹配;

“d1532=d1477”是為了保證密封面夾角的一致性;

“d1786=d1469+2”是為了確保流體流經(jīng)最窄流道截面時拐角處形狀能匹配;

（三） 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的劃分會直接的影響軟件分析結(jié)果，劃分得過稀疏，會使得分析的數(shù)據(jù)不足，而使結(jié)果有失準(zhǔn)確;劃分過細(xì)，每一次所需時間則呈幾何級增長，無形中增加了設(shè)計周期。由粘性流體繞流中邊界層的概念可知1，中間閥芯及內(nèi)腔壁面的法線方向不遠(yuǎn)處，速度梯度非常大，這一邊界層內(nèi)更細(xì)的網(wǎng)格劃分，會使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確;而中間流道內(nèi)，流速近似為一常值，可將此范圍內(nèi)網(wǎng)格劃分得粗一些，來盡可能節(jié)省時間。再結(jié)合FloEFD中網(wǎng)格劃分的基本原則2，做出最終的模型分析網(wǎng)格。（圖示4. 網(wǎng)格劃分示意圖）

第三章 實驗設(shè)計

被動的數(shù)據(jù)收集在統(tǒng)計建模中產(chǎn)生許多問題。在響應(yīng)變量中觀察到的變化也許跟在個體因子（過程變量）中觀察到的變化有關(guān)，但不是由其引起的。多個因子的同時變化可能產(chǎn)生交互作用，難以分成獨立的效應(yīng)。觀測值可能是相關(guān)的，而數(shù)據(jù)模型卻認(rèn)為它們是無關(guān)的。

經(jīng)過設(shè)計的實驗可以解決這些問題。在經(jīng)過設(shè)計的實驗中，會主動操控生成數(shù)據(jù)的過程，從而提高信息的質(zhì)量并消除冗余數(shù)據(jù)。所有實驗設(shè)計的一個共同目標(biāo)就是既要盡可能少地收集數(shù)據(jù)，又要為準(zhǔn)確估計模型參數(shù)提供足夠的信息5。

（一） D-Optimal試驗設(shè)計

為此，我們采用D-optimal的方法來創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型， D-最優(yōu)設(shè)計是通過迭代搜索算法產(chǎn)生的，并尋求最小化特定模型參數(shù)估計的協(xié)方差，與傳統(tǒng)設(shè)計不同，D-最優(yōu)設(shè)計不需要正交設(shè)計矩陣，因此，參數(shù)估計可能是相關(guān)的5。具體操作如下：

我們選定的α、L1、L2、D1以及L3的初始值分別為：18.37°、37mm、100mm、65mm及15mm，試驗考察的指標(biāo)為液體介質(zhì)在2000L/min狀態(tài)下閥門入口端與出口端的壓降dp。以上數(shù)據(jù)來源于設(shè)計初始階段的大致估算，是基于閥門外部因素而初定的。由于并不知道將來最終參數(shù)值是在我們選定的數(shù)值上區(qū)間還是下區(qū)間，故每個參數(shù)以此數(shù)據(jù)作為模型數(shù)據(jù)的中間數(shù)，進(jìn)而給定每一個參數(shù)的最大值和最小值，利用matlab的D-Optimal方法，生成試驗?zāi)Ｐ停碇械谝涣兄幸蛩?的角度值已轉(zhuǎn)換為弧度值。（圖示5. 試驗設(shè)計數(shù)據(jù)）

利用FloEFD流體分析功能，設(shè)置相應(yīng)的輸入?yún)?shù)，如流體類型及流量、邊界條件、目標(biāo)壁面等等。然后導(dǎo)入因素水平最優(yōu)表，利用參數(shù)化研究方法2獲取目標(biāo)壓降dp。

（二） 試驗結(jié)果統(tǒng)計分析及驗證

通過對試驗結(jié)果進(jìn)行多種擬合方式擬合，以均方根誤差作為首選的參考數(shù)據(jù)，在眾多擬合結(jié)果中，選取最優(yōu)的擬合方法，如圖示6所示。其RMSE值為2.327e-5，可見其觀測值同真值之間的偏差是非常小的，試驗結(jié)果具有參考價值。

接著，在此擬合曲線下，進(jìn)行目標(biāo)壓降最小值的分析。可得出目標(biāo)最小值及在其對應(yīng)的各參數(shù)值，如圖7所示。

將試驗分析的最優(yōu)結(jié)果重新導(dǎo)入FloEFD，進(jìn)行參數(shù)化模擬，得出的結(jié)果DP值（0.4758）與最優(yōu)設(shè)計幾乎一致。故可認(rèn)為，以FloEFD的參數(shù)化研究方法為基礎(chǔ)，通過合理的設(shè)置參數(shù)關(guān)系，在matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析及處理的功能下，總能擬合出最接近目標(biāo)值的模擬曲線，來對其進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對功能目標(biāo)值進(jìn)行合理優(yōu)化來優(yōu)化設(shè)計。

第四章 總結(jié)

在對標(biāo)市場已有類似產(chǎn)品6，7的性能指標(biāo)后，我們的設(shè)計指標(biāo)（壓力降）是優(yōu)于主流產(chǎn)品的。而事實上，樣品試驗階段，樣品的各項性能指標(biāo)，也與我們試驗設(shè)計階段數(shù)據(jù)保持了一致。這也進(jìn)一步證實了，試驗優(yōu)化設(shè)計的合理性。

試驗設(shè)計能極大的減少開發(fā)時間，減少變異性，在產(chǎn)品樣品試驗之前，就能精確的得到我們希望得到的產(chǎn)品性能指標(biāo)，極大的減少了試驗成本及產(chǎn)品設(shè)計周期。

試驗設(shè)計還可以確定影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵的產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)---可以明確哪些關(guān)鍵因素對產(chǎn)品的性能有影響，且可獲得影響程度，因此而來適當(dāng)調(diào)整制造時的公差大小;這些內(nèi)容本文就不進(jìn)行展開了。

由于篇幅有限，此拉斷閥的強(qiáng)度校核、拉脫力的確定等信息不進(jìn)行展開闡述。

第五章 參考文獻(xiàn)

1. 工程流體力學(xué) （第二版） 陳卓如 高等教育出版社

2. FloEFD Users Guide

3. 實驗設(shè)計與分析（第三版）DESIGN AND ANALYSIS OF EXPERIMENTS? ? Douglas C.Montgomery著 汪仁官陳榮昭 譯 中國統(tǒng)計出版社

4. 工程統(tǒng)計學(xué) 苗瑞 蔣祖華 崔利榮 楊毅編著 機(jī)械工程出版社

5. Matlab R2016a

6. Roman Seliger-Safety Breakaway Couplings

7. Mann Tek-Safety Break-Away Couplings Service Instruction

8. Mathcad Prime 2.0 基礎(chǔ)與應(yīng)用技巧董仁揚(yáng) 等編著 機(jī)械工程出版社