专利名称：汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车液力变矩器的设计方法，特别涉及一种对已 有液力变矩器叶栅系统进行改形的方法。
背景技术：
液力变矩器是自动变速器系统的关键部件之一，其性能对整车性 能起着重要影响。由于液力变矩器内流场的复杂性，其设计基本是基 于简化的一维束流模型以及经验数据进行反复试制试验。这种方法的 缺点是误差大，设计周期长，且可能无法达到最优性能。发明内容本发明提供了一种利用已有的液力变矩器CAD模型对液力变矩 器叶栅系统进行优化，在保留原有流道特征的前提下，以叶片进、出 口角为指导参数，实现对叶片形状的修改，从而达到提高液力变矩器 性能的汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法。为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法，该改形方法包括以下的步骤① 获取已有液力变矩器叶栅系统几何信息；② 计算叶片与循环圆内、外环交线上的目标进、出口角；③ 进入遗传算法程序开始迭代计算；④ 随机修改各点坐标，生成初始群体；⑤ 计算修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角；⑥ 判断修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角与步骤②中 计算所得目标进出口角的符合程度；⑦ 符合程度高，进行遗传算子操作，若达到最大进化代数，则转下一 步骤；符合程度低，则该个体被淘汰；⑧ 得到所求的两条曲线，构建新的CAD模型。所述获取已有液力变矩器叶栅系统几何信息的是根据已有液力 变矩器CAD模型，分别获取各叶轮叶片内、外环流线上若干均匀分布 点的坐标信息。所述计算叶片与循环圆内、外环交线上的目标进、出口角的方法是叶片中间流线上叶片进、出口角与内、外环上进、出口角之间满 足反势流理论所描述的关系，艮P:<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，/ 表示叶片中间流线进、出口角；A表示叶片内环上进、出口角；A表示叶片外环上进、出口角； r表示叶片中间流线进、出口处半径； C表示叶片内环上进、出口处半径； r。表示叶片外环上进、出口处半径。 所述修改各点坐标的方法是为保证修改后各点仍位于循环圆内、外环曲面上，通过将各点在 垂直轴线的平面上绕中心轴旋转一定角度来实现对各点坐标的修改； 修改后各点坐标为乂 = /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,)为修改前各点的坐标；《为各点旋转角度。在本发明中，根据改变的叶片进、出口曲面范围，固定中间部分 若干点坐标，所固定点处的叶片曲面将不改变。所述计算修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角的方 法是首先运用最小二乘法将修改后叶片与内、外环交线各点坐标拟合 成3次的空间曲线x， = a0 ++ "2z'_ + a3/(in)其中，f为各点序号；如叶片与内、外环的交线分别由W个点描述，定义进口处点序号 为l，出口处点序号为A-。其中各项系数的计算式为-<formula>formula see original document page 9</formula>内、外环上叶片进出口角为;剩(IV)r为叶片与循环圆内，外环交线进口处的切矢量，按照空间曲线切线方程的求法，有如下结果 设某空间曲线的参数方程为，力W则其在(x。，;;。,z。)点的切线方程为r-/A)二少-/A) -/:(" 化)—力("—按照拟合得到的曲线方程-义=(3。 + a/ + a2f2 + a3"可得进口处，r,+2a2+3a;A+262+363，c,+2c2+3c3); 出口处，r =+ 2a2W + 3"3,6, + 262iV + 363 V2， + 2。W + 3c37V2); W为叶片与循环圆内外环交线进口处圆周速度切矢量，按照空间 曲线切线方程的求法，有如下结果 圆的参数方程为义=x0z = / cos61其中，0《"2/ro其在(x。，y。，z。)点，即曲线在e-《处的切线方程为KX。< y — ■/ sin_ z - 7 cos <90 7 cos《 —7 sin 6*0切矢量为N-(0，/ cos《，一/ sin《)。其中，7 cos《=7^ cos《； -及sin《=+ z02 sin《，计算进口角 时K，;vz。)为进口点坐标，《为该点角度；计算出口角时(x。，力,z。)为 出口点坐标，《为该点角度。所述遗传算法包括如下的步骤 1 ) 建立优化问题的目标函数集 ，2) 编码及初始化种群；3) 计算各个体适应度；4) 判断是否满足条件？符合程度低的，则淘汰；符合程度高的，则进入下一步；5) 遗传算子操作，达到最大迸化代数；6) 结束。其中1、优化目标为maX，)-l/|A。/-/Lj其中，Q表示解空间；P表示优化变量向量；A。,表示修改后叶片内、外环设计流线进、出口角；./111111(V)A^,表示叶片内、外环流线目标进、出口角； /,(^)表示优化约束的向量；'表示优化向量需满足的最小值； 表示优化向量需要满足的最大值。2、 优化变量为其中，《为所求曲线上进、出口段被修改各点旋转角度值， 优化约束-《=--_其中， 表示优化范围的最大值； 表示优化范围的最小值； c/;ww —va/we由染色体数量确定，取63。3、 编码以及群体初始化采用二进制编码，艮P:其中，^"为6位二进制数；采用一致随机方式选取初始群体，染色体个数为18，群体数量为1000。适应度函数为、， (VI)当不满足约束条件，即对于进口角《>《〉...>《>()或《 <0， 对于出口 角 ,>0 或 < —, <... < —,< 0时适应度函数为<formula>formula see original document page 13</formula>4、 遗传算子选择算子，采用蒙特卡洛选择。各个体被选择的概率和其适应度 值成比例，适应度函数值高的个体，其在轮盘上所占的扇面比例则高， 被选中的几率也大。数学表达为<formula>formula see original document page 13</formula>其中，/ = 1，2...M。交叉算子，采用非一致算术交叉算子。数学表达为<formula>formula see original document page 13</formula>其中W^^为基因第一次变换前的情况；W/7"^为基因第一次变换后的情况； 为基因第二次变换后的情况； 6/wa 分基因第二次变换后的情况； 义,为服从均匀分布的随机数。 变异算子，变异运算采用均匀变异操作。变异时选择产生变异的 个体《，对应于群体中的二进制形式为6/"m7,,然后随机产生变异基 因的位置，根据二进制特点将O改为1，或者将1改为0，产生新的变异后的个体。5、 遗传算子的运行参数编码长度为18; 群体大小为1000; 交叉概率为0.6;变异概率为O. 02; 终止代数为200。本发明的优越功效在于本发明结合CFD仿真计算，有利于减 少实物试验次数，縮短液力变矩器开发设计周期、降低开发成本、提 高液力变矩器企业产品系列化程度。
图1为本发明的改形方法流程图； 图2为本发明叶片内外环上进、出口角的定义图； 图3为本发明遗传算法的流程图； 图4为本发明的涡轮新模型；图5为本发明的流道模型。
具体实施方式
请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。如图1所示，本发明提供了一种汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法，该改形方法包括以下的步骤① 获取已有液力变矩器叶栅系统几何信息；② 计算叶片与循环圆内、外环交线上的目标进、出口角；③ 进入遗传算法程序开始迭代计算； (D随机修改各点坐标，生成初始群体；⑤ 计算修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角；⑥ 判断修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角与步骤②中 计算所得目标进出口角的符合程度；⑦ 符合程度高，进行遗传算子操作，将该个体遗传至下一代，进一步进行交叉和变异，以期得到符合程度更高的点坐标组合，若达到最大 进化代数，则转下一步骤； 符合程度低，则该个体被淘汰； ⑧得到所求的两条曲线，构建新的CAD模型。所述获取己有液力变矩器叶栅系统几何信息的是根据已有液力 变矩器CAD模型，分别获取各叶轮叶片内、外环流线上若干均匀分布 点的坐标信息。所述计算叶片与循环圆内、外环交线上的目标进、出口角的方法是:叶片中间流线上叶片进、出口角与内、外环上进、出口角之间满 足反势流理论所描述的关系，即- " C I )+ cr0 X cot pcot / 。 = -2-^_ 厂其中，"表示叶片中间流线进、出口角； A表示叶片内环上进、出口角；A表示叶片外环上进、出口角；/"表示叶片中间流线进、出口处半径；r,表示叶片内环上进、出口处半径；r。表示叶片外环上进、出口处半径。 所述叶片内外环上进、出口角定义为相对速度与随体速度之间的 夹角，可以由两个平面角beta一xy和beta_yz表示而成，如图2所 示。所述修改各点坐标的方法是为保证修改后各点仍位于循环圆内、外环曲面上，通过将各点在垂直轴线的平面上绕中心轴旋转一定角度来实现对各点坐标的修改； 修改后各点坐标为 ;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,)为修改前各点的坐标；《为各点旋转角度。在本发明中，根据改变的叶片进、出口曲面范围，固定中间部分 若干点坐标，所固定点处的叶片曲面将不改变。所述计算修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角的方 法是首先运用最小二乘法将修改后叶片与内、外环交线各点坐标拟合 成3次的空间曲线j少'=6。 + 6j' + 62/2 + 63/3 (III)z ， = c0 + c,/ + c2/2 + c3/其中，/为各点序号；如叶片与内、外环的交线分别由;V个点描述，定义进口处点序号 为l，出口处点序号为W。其中各项系数的计算式为内、外环上叶片进出口角为-0 = arccos兩、r为叶片与循环圆内，外环交线进口处的切矢: 切线方程的求法，有如下结果设某空间曲线的参数方程为p，(IV):，按照空间曲线则其在(;c。，少。,z。)点的切线方程为:久'-/A) = z-Wo)— /;("—化)按照拟合得到的曲线方程:可得进口处，r = (a, + 2a2 + 3a3，6, + 262 + 363,c, + 2c2 + 3c3); 出口处，T =+ 2a2Ar + 3a3W2,6, + 2&2W + 363iV2 ， c, + 2c2W + 3c3W2); 7V为叶片与循环圆内外环交线进口处圆周速度切矢量，按照空间 曲线切线方程的求法，有如下结果圆的参数方程为:z = 7 cos (917其中，""2;r。
其在(x。，^z。)点，即曲线在^ = 6>。处的切线方程为
'少—7 si《—z-7 cos0o
切矢量为
N-(0，及cos《，-及sin《)。
其中，i cos《=*02 + :;' c。s《；-A sin《=-"+ z02 sin《，计算进口角 时(x。,7。，z。)为进口点坐标，《为该点角度；计算出口角时(x。,少。,z。)为 出口点坐标，《为该点角度。
如图3所示，所述遗传算法包括如下的步骤 1 、 建立优化问题的目标函数集；
2、 编码及初始化种群；
3、 计算各个体适应度；
4、 判断是否满足条件？
符合程度低的，则淘汰；符合程度高的，则进入下一步；
5、 遗传算子操作，达到最大进化代数；
6、 结束。
通过以上的步骤，结合计算流体动力学(CFD)的分析结果就可 以完成液力变矩器的改形设计与优化，优化得到的CAD模型能通过现 代计算机辅助制造(CAM)快速生成原型，通过实验验证如果满足性 能要求就可以进行量产。因此本发明有着较高的实用价值。 其中1、优化目标为2、
maxF的-l/lA。,-/U
,"訓〈G")〈G隨7 = 1，2.
其中，Q表示解空间；
P表示优化变量向量；
A。,表示修改后叶片内、外环设计流线进、出口角； A，表示叶片内、外环流线目标进、出口角； /,狗表示优化约束的向量； /一n表示优化向量需满足的最小值；
,^表示优化向量需要满足的最大值。 优化变量为
其中，《为所求曲线上进、出口段被修改各点旋转角度值
优化约束 ^ 一
(v)
其中， 表示优化范围的最大值； 表示优化范围的最小值； d2TOW _ v"/we由染色体数量确定，取63 。 3、 编码以及群体初始化
采用二进制编码，艮P: 《=Z /wa/7,
其中，6/朋^为6位二进制数；
采用一致随机方式选取初始群体，染色体个数为18，群体数量为
1000。
适应度函数为一1 ! (vi)
j〃ai/ Marge/1
当不满足约束条件，即对于进口角《〉《>...>《>()或 《<《< — <《<0 ， 对于出 口 角 , >0 或 <, <... < _, < 0时适应度函数为
/"W) = r^~~ , ,. (VII)
IH |+10
4、 遗传算子
选择算子，采用蒙特卡洛选择。各个体被选择的概率和其适应度 值成比例，适应度函数值高的个体，其在轮盘上所占的扇面比例则高， 被选中的几率也大。数学表达为
其中，/ = 1，2...M。
交叉算子，采用非一致算术交叉算子。数学表达为
6/mjr乂 =义,6/"a/^ + (1 - A》/"a/^2
6z>^772 = (1 -义,)6/""r乂 + /i,Z>/"a 72 / e {1， 2,…10}
其中&>7"^为基因第一次变换前的情况； 为基因第一次变换后的情况； w"" 为基因第二次变换后的情况； 6/mw分基因第二次变换后的情况； 义,为服从均匀分布的随机数。 变异算子，变异运算采用均匀变异操作。变异时选择产生变异的 个体《，对应于群体中的二进制形式为6/^^,，然后随机产生变异基 因的位置，根据二进制特点将0改为1，或者将1改为0，产生新的5、 遗传算子的运行参数
编码长度为18; 群体大小为1000; 交叉概率为0.6; 变异概率为0.02; 终止代数为200。
现有一款基于Pro/E软件的液力变距器CAD模型，将涡轮叶片定 为改形对象。原涡轮叶片中间流线进、出口角分别为35。和14T，在本 实施例中将中间流线进口角改为30° ，中间流线出口角改为13(T 。
1.测取点坐标
利用Pro/E测取点坐标的工具，取各点坐标。
以涡轮为例，任选一个叶片，在其压力面与循环圆内外环相交的 曲线上，大致均匀地测取9个点(以9个点为例)，记录其三坐标值， 注意，这9个点必须包括进口处顶点和出口处顶点。
2. 调用程序，计算出改形后的叶片与循环圆内外环交线，即分别 为叶片与内外环交线的曲线方程。
3. 将改型后叶片内、外环流线导入Pro/E中，完成新的变矩器CAD 模型构建，最终得到涡轮新模型，如图4所示。
4. 建立流道模型
建立新的液力变矩器流道模型，如图5，进行CFD仿真计算，为 下一轮改形提供仿真计算依据。
权利要求
1、一种汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法，其特征在于该改形方法包括以下的步骤①获取已有液力变矩器叶栅系统几何信息；②计算叶片与循环圆内、外环交线上的目标进、出口角；③进入遗传算法程序开始迭代计算；④随机修改各点坐标，生成初始群体；⑤计算修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角；⑥判断修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角与步骤②中计算所得目标进出口角的符合程度；⑦符合程度高，进行遗传算子操作，若达到最大进化代数，则转下一步骤；符合程度低，则该个体被淘汰；⑧得到所求的两条曲线，构建新的CAD模型。
2、 按权利要求1所述的汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法， 其特征在于-所述计算叶片与循环圆内、外环交线上的目标进、出口角的方法是叶片中间流线上叶片进、出口角与内、外环上进、出口角之间满 足反势流理论所描述的关系，艮P: <formula>formula see original document page 2</formula>其中，"表示叶片中间流线进、出口角；/ ,表示叶片内环上进、出口角；A表示叶片外环上进、出口角；r表示叶片中间流线进、出口处半径； r,表示叶片内环上进、出口处半径； r。表示叶片外环上进、出口处半径。
3、 按权利要求1所述的汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法， 其特征在于所述修改各点坐标的方法是为保证修改后各点仍位于循环圆内、外环曲面上，通过将各点在垂直轴线的平面上绕中心轴旋转一定角度来实现对各点坐标的修改；修改后各点坐标为 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,)为修改前各点的坐标；《为各点旋转角度。
4、 按权利要求1所述的汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法， 其特征在于-所述计算修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角的方 法是首先运用最小二乘法将修改后叶片与内、外环交线各点坐标拟合成3次的空间曲线x' = a0 + a!/ + a2/2 + a3,3 <y' = 60 + 、/ + 62r+6/ (III)z ' = c。 + + c2/2 + c3/3其中，/为各点序号；如叶片与内、外环的交线分别由7V个点描述，定义进口处点序号 为l，出口处点序号为A'。其中各项系数的计算式为jN0内、外环上叶片进出口角为.-0 二 arccosr为叶片与循环圆内，外环交线进口处的切矢: 切线方程的求法，有如下结果设某空间曲线的参数方程为(IV):，按照空间曲线则其在Oc。,y。，z。)点的切线方程为化)—/》0) — z;(o按照拟合得到的曲线方程:可得进口处，7 = (", +2"2 +3"3A +2Z 2 +363，6 +2c2 +3c3)ol一II力I力Mil出口处，r = (a, + 2a2W + 3a37V2,6, + 26, + 363iV2, c, + 2c2 A, + 3c3); W为叶片与循环圆内外环交线进口处圆周速度切矢量，按照空间 曲线切线方程的求法，有如下结果 圆的参数方程为z = AcosS其中，""2;r。其在0c。，少。，z。)点，即曲线在^ =《处的切线方程为 切矢量为N二(0,i cos&，一Wsin《)。其中，Acos《=Vjf02 + z02 cos6>0 ; -i sin《=-7y02+202 sin《，计算进口角 时0c。，^，z。)为进口点坐标，《为该点角度；计算出口角时K，少。，z。)为 出口点坐标，《为该点角度。
5、按权利要求1所述的汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法， 其特征在于所述遗传算法包括如下的步骤 1 ) 建立优化问题的目标函数集；2) 编码及初始化种群；3) 计算各个体适应度；4) 判断是否满足条件？符合程度低的个体，会在下一轮循环迭代中被淘汰; 符合程度高的，则进入下一步；5) 遗传算子操作，达到最大进化代数；6) 结束。
全文摘要
本发明一种汽车液力变矩器叶栅系统的改形方法的步骤是1)获取已有液力变矩器叶栅系统几何信息；2)计算叶片与循环圆内、外环交线上的目标进、出口角；3)进入遗传算法程序开始迭代计算；4)随机修改各点坐标，生成初始群体；5)计算修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角；6)判断修改后叶片与循环圆内、外环交线上的进、出口角与步骤2中计算所得目标进出口角的符合程度；7)符合程度高，则该个体遗传至下一代，进一步进行交叉和变异，以期得到符合程度更高的点坐标组合；符合程度低，则该个体被淘汰。本发明的优点是对已有液力变矩器CAD模型的修改，进而实现对液力变矩器的优化。
文档编号F16H41/00GK101614272SQ20091005518
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月22日 优先权日2009年7月22日
发明者冀海燕, 吴光强, 珺 李, 殷学仙, 欢 王, 王立军, 程建平, 祥 陈, 陈曙光, 顾文清 申请人:上海萨克斯动力总成部件系统有限公司;同济大学