一种导流罩气动外形优化方法

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一种导流罩气动外形优化方法
申请号	CN202011460252.4	申请日	2020-12-11	公开(公告)号	CN112749452A	公开(公告)日	2021-05-04
申请人	中国计量大学;			发明人	李琛; 夏程豪; 奚永新; 李东洋; 程建山;
摘要	本发明公开了一种导流罩气动外形优化方法，属于电梯领域，一种导流罩气动外形优化方法，包括如下步骤：以高速电梯运行的空气阻力系数和偏航力矩系数为优化目标，可以通过以电梯运行阻力和偏航力矩为优化目标，对超高速电梯导流罩几何外形进行了优化设计，确定了控制导流罩外形变化的6个设计变量，利用拉丁超立设计分析了设计变量与电梯所受气动载荷之间的变化关系，分析了各设计变量对目标值的影响程度，并建立了RBF代理模型，最后以NSGA‑II多目标优化算法在可行域内进行了优化设计，有效获得最优化的导流罩有效改善超高速电梯的气动特性，有效实现超高速电梯的被动减振降噪吗，满足现有的要求。
权利要求	1.一种导流罩气动外形优化方法，其特征在于：包括如下步骤：S1.以高速电梯运行的空气阻力系数和偏航力矩系数为优化目标，空气阻力系数和偏航力矩系数为响应值； S2.对导流罩进行建模，并选择6个设计变量：h1、h2、e、θ1、θ2和d，其中h1和h2控制导流罩的高度，e控制导流罩定点的偏移量，θ1和θ2控制导流罩Y方向的钝度，d控制导流罩X方向的钝度； S3.设定各设计变量的取值范围； S4.根据拉丁超立方方法选取多组样本点，构件导流罩初始模型； S5.对构件的初始模型进行分析，得出各设计变量与响应值之间的关系； S6.分析每个设计变量对响应值的贡献程度，确认设计变量的目标值； S7.根据实际加工难度，对设计变量的目标值进行取舍，建立导流罩代理模型； S8.对代理模型进行构建和验证； S9.利用NSGA‑II优化设计对导流罩的代理模型进行优化，获得最优导流罩。 2.根据权利要求1所述的一种导流罩气动外形优化方法，其特征在于：所述步骤S1中响应值的公式为：其中ρ是空气密度，v是轿厢运行速度，s是轿厢截面积，l是特征长度。 3.根据权利要求2所述的一种导流罩气动外形优化方法，其特征在于：所述公式中ρ的 3 2 取值为1.225kg/m，v的取值为7m/s，s的取值为3.8m，l的取值为2.525m。 4.根据权利要求1所述的一种导流罩气动外形优化方法，其特征在于：所述h1的取值范围为0.3m‑0.6m，所述h2的取值范围为0.8m‑1.3m，所述e的取值范围为0.2m‑0.3m，所述θ1的取值范围为0°‑10°，所述θ2的取值范围为0°‑24°，所述d的取值范围为0.2m‑0.6m。 5.根据权利要求1所述的一种导流罩气动外形优化方法，其特征在于：所述步骤S8中，采用RBF代理模型构建超高速电梯导流罩几何外形和电梯轿厢所受气动载荷之间的近似关系，并参照代理模型的构建基于实验设计阶段所用到的样本点，以及所对应的响应值。
说明书全文	一种导流罩气动外形优化方法技术领域 [0001] 本发明涉及电梯领域，更具体地说，涉及一种导流罩气动外形优化方法。背景技术 [0002] 随着电梯运行速度的提升，加剧了井道内流场结构的变化，电梯受到的空气扰动作用加强，由此导致了电梯振动加剧，风噪增大，这显然不符合当今社会对公共运输工具的舒适性及安全性要求。而加装电梯导流罩正是减小电梯阻力的有效举措，通过加装导流罩，电梯外形更加接近流线型，流场的突变也更小，有利于缓解电梯绕流场的剧烈变化。 [0003] 超高速电梯通常指运行速度大于7m/s的电梯，随着电梯速度的提升，电梯。所受的气动载荷也在急剧增大。气动载荷的增加会导致电梯风致振动效应增强，这会大大降低电梯的乘坐舒适性和运行安全性。为改善这种情况，就需要对电梯外形进行流线型设计，即加装电梯导流罩，从而削弱轿厢与井道环形入口处的强分离剪切层以及轿厢运行方向尾端的非定常涡迹。 [0004] 但是现有导流罩结构不能够有效应用于超高速电梯中，不能够有效改善超高速电梯的气动特性和降低超高速电梯的被动减振降噪，不满足现有需求。发明内容 [0005] 1.要解决的技术问题 [0006] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种导流罩气动外形优化方法，可以通过以电梯运行阻力和偏航力矩为优化目标，对超高速电梯导流罩几何外形进行了优化设计，利用椭圆曲线法对导流罩几何外形进行了参数化设计，并确定了控制导流罩外形变化的6个设计变量，利用最优拉丁超立设计分析了设计变量与电梯所受气动载荷之间的变化关系，分析了各设计变量对目标值的影响程度，并建立了RBF代理模型，最后以 NSGA‑II多目标优化算法在可行域内进行了优化设计，有效获得最优化的导流罩有效改善超高速电梯的气动特性，有效实现超高速电梯的被动减振降噪，满足现有的要求。。 [0007] 2.技术方案 [0008] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。 [0009] 一种导流罩气动外形优化方法，包括如下步骤： [0010] S1.以高速电梯运行的空气阻力系数和偏航力矩系数为优化目标，空气阻力系数和偏航力矩系数为响应值； [0011] S2.对导流罩进行建模，并选择6个设计变量：h1、h2、e、θ1、θ2和 d， [0012] 其中h1和h2控制导流罩的高度，e控制导流罩定点的偏移量，θ1和θ 2控制导流罩Y方向的钝度，d控制导流罩X方向的钝度； [0013] S3.设定各设计变量的取值范围； [0014] S4.根据拉丁超立方方法选取多组样本点，构件导流罩初始模型； [0015] S5.对构件的初始模型进行分析，得出各设计变量与响应值之间的关系； [0016] S6.分析每个设计变量对响应值的贡献程度，确认设计变量的目标值； [0017] S7.根据实际加工难度，对设计变量的目标值进行取舍，建立导流罩代理模型； [0018] S8.对代理模型进行构建和验证； [0019] S9.利用NSGA‑II优化设计对导流罩的代理模型进行优化，获得最优导流罩。通过以电梯运行阻力和偏航力矩为优化目标，对超高速电梯导流罩几何外形进行了优化设计，利用椭圆曲线法对导流罩几何外形进行了参数化设计，并确定了控制导流罩外形变化的6 个设计变量，利用最优拉丁超立设计分析了设计变量与电梯所受气动载荷之间的变化关系，分析了各设计变量对目标值的影响程度，并建立了RBF代理模型，最后以NSGA‑II多目标优化算法在可行域内进行了优化设计，有效获得最优化的导流罩有效改善超高速电梯的气动特性，有效实现超高速电梯的被动减振降噪，满足现有的要求。 [0020] 进一步的，所述步骤S1中响应值的公式为：其中ρ是空气密度，v是轿厢运行速度，s是轿厢截面积，l是特征长度。 [0021] 进一步的，所述公式中ρ的取值为1.225kg/m3，v的取值为7m/s，s的取值为3.8m2，l的取值为2.525m。 [0022] 进一步的，所述h1的取值范围为0.3m‑0.6m，所述h2的取值范围为 0.8m‑1.3m，所述e的取值范围为0.2m‑0.3m，所述θ1的取值范围为0°‑10°，所述θ2的取值范围为0°‑24°，所述d 的取值范围为0.2m‑0.6m。在所有的设计变量中，对电梯所受气动载荷影响最为显著的是电梯在x方向的钝度(即设计变量d)，其对阻力系数和偏航力矩系数的有贡献度分别可达 16.25％和 21.72％，并且随着d的增加，电梯所受到的阻力和偏航力矩都会降低。 [0023] 导流罩高度过高，并不一定会使电梯受到较小的空气阻力和偏航力矩，导流罩受到的气动载荷不仅与导流罩的流线型程度相关，还与导流罩的受力面积相关。 [0024] 导流罩顶点(即设计变量e)适当偏移可以降低电梯的运行阻力和偏航阻力系数和偏航力矩系数的影响分别为0.0675/0.0628以及0.1086/0.036，且随着导流罩在Y方向钝度的减小，阻力会有所增加而偏航力矩会有所降低，但出于受力和加工难度的考虑，实际工程应用中可以将两个角度均省去。 [0025] 进一步的，所述步骤S8中，采用RBF代理模型构建超高速电梯导流罩几何外形和电梯轿厢所受气动载荷之间的近似关系，并参照代理模型的构建基于实验设计阶段所用到的样本点，以及所对应的响应值。优化设计后的导流罩，可以明显改善电梯的气动特性，相较于初始导流罩，优化后的导流罩使电梯的阻力和偏航力矩分别降低了16.51％和60.92％。 [0026] 3.有益效果 [0027] 相比于现有技术，本发明的优点在于： [0028] (1)本方案通过以电梯运行阻力和偏航力矩为优化目标，对超高速电梯导流罩几何外形进行了优化设计，利用椭圆曲线法对导流罩几何外形进行了参数化设计，并确定了控制导流罩外形变化的6个设计变量，利用最优拉丁超立设计分析了设计变量与电梯所受气动载荷之间的变化关系，分析了各设计变量对目标值的影响程度，并建立了RBF代理模型，最后以NSGA‑II多目标优化算法在可行域内进行了优化设计，有效获得最优化的导流罩有效改善超高速电梯的气动特性，有效实现超高速电梯的被动减振降噪，满足现有的要求。 [0029] (2)在所有的设计变量中，对电梯所受气动载荷影响最为显著的是电梯在x方向的钝度(即设计变量d)，其对阻力系数和偏航力矩系数的有贡献度分别可达16.25％和 21.72％，并且随着d的增加，电梯所受到的阻力和偏航力矩都会降低。 [0030] (3)导流罩高度过高，并不一定会使电梯受到较小的空气阻力和偏航力矩，导流罩受到的气动载荷不仅与导流罩的流线型程度相关，还与导流罩的受力面积相关。 [0031] (4)导流罩顶点(即设计变量e)适当偏移可以降低电梯的运行阻力和偏航阻力系数和偏航力矩系数的影响分别为0.0675/0.0628以及 0.1086/0.036，且随着导流罩在Y方向钝度的减小，阻力会有所增加而偏航力矩会有所降低，但出于受力和加工难度的考虑，实际工程应用中可以将两个角度均省去。 [0032] (5)优化设计后的导流罩，可以明显改善电梯的气动特性，相较于初始导流罩，优化后的导流罩使电梯的阻力和偏航力矩分别降低了16.51％和 60.92％。附图说明 [0033] 图1为本发明的方法流程结构示意图； [0034] 图2为本发明的响应值的公式结构示意图； [0035] 图3为本发明的目标公式结构示意图； [0036] 图4为本发明的电梯运行阻力和偏航力矩结构示意图； [0037] 图5为本发明的设计变量参数结构示意图； [0038] 图6为本发明的初始模型结构示意图； [0039] 图7为本发明的设计变量取值范围表结构示意图； [0040] 图8为本发明的初始模型样本点及其响应值结构示意图； [0041] 图9为本发明的样本点与响应值之间的主效应结构示意图； [0042] 图10为本发明的样本拟合后对应的响应贡献程度结构示意图； [0043] 图11为本发明的各变量对响应的关系度值结构示意图； [0044] 图12为本发明的导流罩高度与各响应值之间的关系结构示意图； [0045] 图13为本发明的代理模型误差分析表结构示意图； [0046] 图14为本发明的电梯运行阻力和偏航力矩迭代过程结构示意图； [0047] 图15为本发明的优化前后导流罩对比结构示意图； [0048] 图16为本发明的优化前后轿厢表面压力分布结构示意图； [0049] 图17为本发明的优化前后轿厢附近压力分布结构示意图； [0050] 图18为本发明的优化前后轿厢附近流速分布结构示意图。具体实施方式 [0051] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0052] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0053] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0054] 实施例1： [0055] 请参阅图1‑17，一种导流罩气动外形优化方法，一种导流罩气动外形优化方法，包括如下步骤： [0056] S1.以高速电梯运行的空气阻力系数和偏航力矩系数为优化目标，空气阻力系数和偏航力矩系数为响应值； [0057] S2.对导流罩进行建模，并选择6个设计变量：h1、h2、e、θ1、θ2和d， [0058] 其中h1和h2控制导流罩的高度，e控制导流罩定点的偏移量，θ1和θ2控制导流罩Y方向的钝度，d控制导流罩X方向的钝度； [0059] S3.设定各设计变量的取值范围； [0060] S4.根据拉丁超立方方法选取多组样本点，构件导流罩初始模型； [0061] S5.对构件的初始模型进行分析，得出各设计变量与响应值之间的关系； [0062] S6.分析每个设计变量对响应值的贡献程度，确认设计变量的目标值； [0063] S7.根据实际加工难度，对设计变量的目标值进行取舍，建立导流罩代理模型； [0064] S8.对代理模型进行构建和验证； [0065] S9.利用NSGA‑II优化设计对导流罩的代理模型进行优化，获得最优导流罩。通过以电梯运行阻力和偏航力矩为优化目标，对超高速电梯导流罩几何外形进行了优化设计，利用椭圆曲线法对导流罩几何外形进行了参数化设计，并确定了控制导流罩外形变化的6 个设计变量，利用最优拉丁超立设计分析了设计变量与电梯所受气动载荷之间的变化关系，分析了各设计变量对目标值的影响程度，并建立了RBF代理模型，最后以NSGA‑II多目标优化算法在可行域内进行了优化设计，有效获得最优化的导流罩有效改善超高速电梯的气动特性，有效实现超高速电梯的被动减振降噪，满足现有的要求。 [0066] 请参阅图3，步骤S1中响应值的公式为：其中ρ是空气密度，v是轿厢运行速度，s是轿厢截面积，l是特征长度。 [0067] 请参阅图3，公式中ρ的取值为1.225kg/m3，v的取值为7m/s，s的取值为3.8m2，l的取值为2.525m。 [0068] 请参阅图5，h1的取值范围为0.3m‑0.6m，h2的取值范围为0.8m‑1.3m，e 的取值范围为0.2m‑0.3m，θ1的取值范围为0°‑10°，θ2的取值范围为0° ‑24°，d的取值范围为0.2m‑0.6m。在所有的设计变量中，对电梯所受气动载荷影响最为显著的是电梯在x方向的钝度(即设计变量d)，其对阻力系数和偏航力矩系数的有贡献度分别可达16.25％和21.72％，并且随着d 的增加，电梯所受到的阻力和偏航力矩都会降低。 [0069] 导流罩高度过高，并不一定会使电梯受到较小的空气阻力和偏航力矩，导流罩受到的气动载荷不仅与导流罩的流线型程度相关，还与导流罩的受力面积相关。 [0070] 导流罩顶点(即设计变量e)适当偏移可以降低电梯的运行阻力和偏航阻力系数和偏航力矩系数的影响分别为0.0675/0.0628以及0.1086/0.036，且随着导流罩在Y方向钝度的减小，阻力会有所增加而偏航力矩会有所降低，但出于受力和加工难度的考虑，实际工程应用中可以将两个角度均省去。 [0071] 请参阅图1，步骤S8中，采用RBF代理模型构建超高速电梯导流罩几何外形和电梯轿厢所受气动载荷之间的近似关系，并参照代理模型的构建基于实验设计阶段所用到的样本点，以及所对应的响应值。优化设计后的导流罩，可以明显改善电梯的气动特性，相较于初始导流罩，优化后的导流罩使电梯的阻力和偏航力矩分别降低了16.51％和60.92％。 [0072] 通过对所构建的代理模型进行分析，可以得出各设计变量与响应值之间关系(请参阅图9)。所有设计变量中，设计变量d，即轿厢在x方向上的钝度，对轿厢气动力的影响最为显著，随着d的增大，气动力和偏航力矩都有所降低，这是因为d的增大使得电梯导流罩的整体钝度减小，气流在进入环形空间时，流体结构的突变更小，削弱了电梯绕流场在环形空间入口处的变化，同时d的增大减小了导流罩在X方向上的投影面积，即减小了气压在X 方向的作用面，所以偏航力矩也有所降低。此外，h2与偏航力矩系数基本呈线性关系，其余设计变量与Cd和Cym的变化关系十分相近，均呈现先增后减(或先减后增)的变化趋势。 [0073] 各设计变量对目标值的贡献度(请参阅图10)，其中蓝色表示正效应，红色表示负效应。在所有的设计变量中，对电梯所受气动载荷影响最为显著的是电梯在X方向的钝度 (即设计变量d)，其对阻力系数Cd和偏航力矩系数 Cym的贡献率分别达到了16.25％和 21.72％，其中d对阻力系数Cd影响为正效应，对偏航力矩系数Cym的影响为负效应。设计变量么对偏航力矩系数Cym的影响为正效应，但对阻力系数Cd的影响并不明显，仅为2.79％。对阻力系数Cd贡献率较高的多为设计变量的二次项，影响也均为负效应，但考虑到阻力系数Cd为负值，所以随着各设计变量二次项的增大，阻力系数Cd的绝对值也会增大。么和么的交叉项对Cym的影响为负效应，贡献率为8.40％，相对地对阻力系数Cym的影响仅为4.13％。(请参阅图11)从图中可以看出，在各设计变量中，在安装尺寸允许的范围，尽量增大d，可较为显著地降低电梯所受到的阻力及偏航力矩。导流罩高度过高，并不会降低电梯所受到的空气阻力和偏航力矩，所以，导流罩受到的气动载荷不仅与导流罩的流线型程度相关，还与导流罩的受力面积相关。导流罩顶点(即设计变量e)适当偏移可以降低电梯的运行阻力和偏航力矩。电梯在Y方向的钝度(即设计变量θ1和θ2)对电梯所受的阻力和偏航力矩影响较小，θ1和 θ2对两个目标值的影响分别为 0.0675/0.0628以及0.1086/0.0362。随着导流罩在Y方向钝度的减小，阻力会有所增加而偏航力矩会有所降低，但出于受力和加工难度的考虑，实际工程应用中可以将两个角度均省去。 [0074] 从图12中可以看出，随着导流罩总体高度的增加，阻力系数C。呈现出先降低后增加的变化趋势，这与主效应图的结果‑致。而图12可以看出，相较于h1，h2的影响更为显著，但总体高度的增加会使电梯的偏航力矩持续增加。当h1位于0.4m附近，h2位于1.05m附近时，阻力系数Cym的绝对值可以取得最小值。当h1位于0.45m附近，h2位于0.8m附近时，偏航力矩系数Cym可以取得最小值。因此在导流罩的设计中，导流罩高度不宜过高，尤其是高度的对应的部分。随着d和e同时增加，阻力系数Cpm的绝对值和偏航力矩系数Cym均在逐渐降低。当e大于 0.29，d大于0.3m时，阻力系数Cym的绝对值会取得最小值。当e位于0.3m附近，d大于0.3m时，偏航力矩系数Cpm可取得最小值。随着导流罩钝度的增大，阻力系数Cd绝对值先降后升，而偏航力矩系数 Cpm则基本一直在增加。当θ1位于4°附近，θ2位于5°附近时，阻力系数Cd的绝对值可取的最小值，当θ1小于3°，θ2小于5°时，偏航力矩系数Cpm可取得最小值。 [0075] (请参阅图6)为验证所建立代理模型的准确性，本文在设计变量取值范围内又随机选取了6组样本点用来进行模型精度分析，所选测试点及其各自响应值误差的分析结果请参阅图13所示。从图13可以看出，所构建代理模型的预测值与仿真计算所得的值的最大误差出现在阻力项上，误差为2.34％。此外，通过ANOVA分析，阻力系数和偏航力矩系数的拟合精度分别为0.887 和0.974。 [0076] 综上可知，RBF适用于导流罩代理模型的构建，并且本章所构建的代理模型的精度可以满足要求。 [0077] 在对NSGA‑II的基本参数设置中，种群数量为24，优化代数为100，交叉概率为0.9，优化迭代次数为2400次。目标值的各迭代步的数值波动(请参阅图14)。从图中可以发现，虽然两条收敛曲线的还存在一定程度的波动，但从图中也可以看出阻力系数Cd的数值基本稳定在‑1.65士0.1的范围内，且其Cd绝对值的最小值基本稳定在1.54附近。相对地，偏航力矩系数的值则基本在0.4士0.1范围内波动，其最小值也基本稳定在了0.3附近。阅图15为优化前后的导流罩外形对比图。从图中可以看出，优化后的导流罩在高度上有所降低，并且导流罩的在X方向和Y方向的钝度都有所降低，使得导流罩整体变得更“尖”了一些。因此，适当的电梯轿厢长细比是有利于降低电梯受到的气动载荷的。 [0078] 图16为初始导流罩和优化所得导流罩表面气压分布图，图17为轿厢附近压力分布，图18为轿厢附近的气流速度分布。从图中可以发现，相较于初始导流罩，优化后的导流罩所处流场内的低压有较为明显的提升，虽然在高压区域压力变化不明显，但在低压区，优化后的导流罩的最低压力有所增加，因此电梯的总体压差有所降低，这无疑会减小电梯所受到的气动载荷。从图 18中我们还可以发现，在环形空间内，优化后的导流罩流场气流流速要小于初始导流罩流场的流速，更小的风速意味着更小的气动载荷和气动噪声，这也表明优化后的导流罩要优于初始导流罩。 [0079] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。