针对K-K型节流槽流量系数复杂时变及结构参数强耦合的特征,采用流量面积参数模型(FAPM),开展了液压圆柱滑阀K-K型节流槽阀口流量压降特性研究。首先,推导出K-K型节流槽阀口面积的数学模型,并将其等效为3个单阶K型节流槽阀口面积的组合形式;其次,基于计算流体动力学(CFD)和响应面模型(RSM),建立了极限饱和流量下K-K型节流槽的FAPM模型;最后,通过对FAPM模型的分析,得到组合型节流槽阀芯结构与流量压降的映射关系。研究结果表明当入口体积流量大于7.31 L/min时,满足极限流量饱和条件,此时流量系数与入口体积流量无关;当入口体积流量分别为20、30、50 L/min时,FAPM模型预测的K-K型节流槽阀口压降与CFD仿真值的平均误差均控制在7%以内。该模型完成了对K-K型节流槽阀芯结构的近似表达,并可应用于其他类型的组合型节流槽。

为了满足电动汽车电池包箱体高强度、轻量化的设计要求,提出了一种基于数值优化与有限元仿真相结合的动力电池包箱体轻量化设计方法。以电池包箱体各部件的厚度为设计变量,箱体质量最小化为优化目标,三种典型路面工况下箱体的最大等效应力、最大变形量和箱体结构的第2阶约束模态频率为约束条件,建立了箱体轻量化优化数学模型。利用Box-Behnken试验设计获得了5个设计变量3个水平的数值模拟试验组合,采用多元回归分析和帕累托方差分析拟合得到了多项式响应面近似模型,并引入到轻量化优化数学模型中进行了迭代优化,结果表明优化方案的电池包箱体质量比原方案减少了7.4%,典型路面工况下最大等效应力降低了18.6%、最大变形量减小了22.5%,箱体结构的第2阶约束模态频率提高了14.8%。

为提高某型号航空燃油离心式喷嘴的综合雾化性能,对喷嘴的结构参数进行优化设计。基于流体体积(VOF)模型,模拟了喷嘴的内外流场,并通过试验验证了仿真模型的可靠性。为节省多次试验和数值模拟的成本,基于响应面法(RSM)建立了以喷嘴扩张段长度、等直段直径、等直段长度、收缩半角、扩张半角为设计变量,雾化锥角和质量流率为响应变量的代理计算模型。基于得到的表达式,分析了设计变量对响应变量的贡献度和交互影响作用,结果表明扩张半角对雾化锥角的贡献最大,呈正相关;质量流率受等直段直径的影响最为显著,随着等直段直径的增加而增加,但随着收缩半角的增大而减小。以雾化锥角和质量流率为优化目标,采用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化,优化结果表明优化后的结构参数使得离心式喷嘴的雾化锥角和质量流率分别提高了8.3%和32.4%。

根据梳齿塔库提升平台的需求,建立三维实体模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对提升平台进行静力学分析,分析结果显示其强度和刚度均满足设计指标要求。基于建立的提升平台模型,以梳齿结构为优化对象,构建Kriging响应面模型,运用多目标遗传算法获得Pareto前沿解集,进而得到优化的梳齿结构并进行偏载工况验证。验证结果表明,有限元仿真分析、响应面模型和多目标优化算法的结合应用,能够保证提升平台在满足强度和刚度的情况,快速确定关键受力构件的合理结构尺寸,实现提升平台的轻量化设计,降低制造成本。

针对机床主轴箱结构优化设计中模型复杂及计算量大的问题,提出一种将灵敏度分析与响应面模型相结合的优化办法。以箱体壁厚和筋板尺寸为输入参数,主轴箱质量、最大变形、最大应力、1阶固有频率作为目标参数进行灵敏度分析,筛选出6个关键尺寸作为优化参数;采用最佳填充空间设计法和Kriging函数法构建主轴箱响应面模型,通过多目标遗传算法对响应面模型进行求解计算。最后对优化后的主轴箱进行有限元分析来验证求解的准确性,优化后的主轴箱质量减轻了13.58%。

将气动阻力和气动升力作为优化目标,对高速列车头尾几何外形进行多目标优化设计.选取列车头尾横向、纵向、垂向三个方向共8组节点位置作为设计变量,利用网格变形技术得到需要进行仿真的样本.采用Fluent软件对3节编组高速列车在明线上运行的周围流场进行仿真计算,并得到其气动阻力和气动升力特性.通过响应面方法构造这两种气动特性对设计变量的响应关系,对其进行多目标优化设计得到优化后的列车外形,其气动阻力降低13.66%,且气动升力有效减小至1.46 N.

综合考虑了气动阻力特性和横风稳定性,对车身外形参数进行了多目标自动优化设计。综合利用参数化建模技术、计算流体力学(CFD)仿真、试验设计方法、响应面模型和智能优化算法,集成Pro/Engineer参数化建模和ICEM网格划分工具以及Fluent仿真软件,在多学科优化平台modeFRONTIER上,搭建了一种自动优化设计流程。利用该流程,基于遗传算法(GA)对MIRA快背式模型车身几何外形进行了改型设计,得到了考虑车身气动阻力特性和横风稳定性的最优权衡设计解集。该结果使得气动阻力因数降低了5.2%,侧向力因数降低了5.8%。因而,实现了车身气动阻力和横风稳定性的多目标优化。

为保证PCD刀具的使用寿命和加工精度,提高对Ti6Al4V钛合金的加工效率,对PCD刀具精车加工Ti6Al4V钛合金进行模拟仿真分析,并通过响应面分析法计算建立切削力和刀尖温度随刀具参数(前角γo、后角αo、钝圆半径rε)变化的二次响应面数学模型。根据响应面模型方差分析和显著性检验证明响应面预测模型的有效性,分析PCD刀具精车加工Ti6Al4V钛合金时刀具参数对切削力和刀尖温度的影响从而获得最优刀具参数。结果表明:钝圆半径对切削力的影响最大,后角对刀尖温度的影响最大,适当增大前角、减小后角及钝圆半径能够有效降低切削力、刀尖温度;最终得出最优刀具参数组合为前角γo=12°、后角αo=7°和钝圆半径rε=0.04 mm。

针对数控机床整机优化过程中的复杂性，提出了一种响应面模型与集成方法相结合的机床整机优化设计方法。对数控机床整机进行静动态仿真，通过模态试验验证仿真的可信度。采用哈莫雷斯试验设计方法，抽取设计空间的样本点并进行数值模拟和分析计算，建立了整机质量、最大形变量、一阶固有频率、二阶固有频率和三阶固有频率关于整机9个设计变量的响应面模型。提出了基于粒子群算法的初次优化与基于协同优化算法的二次优化相结合的优化策略。先对响应面模型进行初次全局优化，得到Pareto最优解集。在最优解集的基础上再对响应面模型进行二次局部优化，获得最优设计方案。结果表明，优化方案的各项性能都得到了提升，仿真结果验证了优化方案的可信度。因此该优化方法适用于结构较复杂的机床整机的优化设计。

针对再制造液压缸筒表面厚重油漆难以去除的问题，采用超声熔盐复合清洗技术进行有效清洗。影响复合清洗效果因素较多，选择清洗温度和超声功率进行研究。通过中心复合试验法，以清洗周期和3.5min去污率作为评判标准，拟合试验数据建立回归方程和响应面模型，探究清洗温度和超声功率的影响作用。结果显示:随清洗温度升高，熔盐表面张力变小，化学反应速率提高，清洗周期变短，清洗能力增强;超声功率增大，清洗场内振荡作用变强，使熔盐加速流动，场内各部分温度趋于一致，加速反应进行，增强清洗能力。因此随清洗温度和超声功率提高，复合清洗去除油漆能力增强。通过试验确定超声熔盐复合清洗去除油漆的最优参数为清洗温度（326~336）℃，超声功率为最大值1440W，最优参数下清洗周期为4min，清洗3.5min时去污率为97.5%。