錢晨，馮志華，趙冉

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

在氣流引緯的過程中，紗線在主噴嘴內(nèi)高速氣流的牽引下，由靜態(tài)漸變?yōu)橐砸欢ㄋ俣容S向運(yùn)動的近似穩(wěn)態(tài)過程。因此，主噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小影響著牽引紗線運(yùn)動的流場分布，而通過改變主噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀來改善流場分布，提高引緯效率，近些年來國內(nèi)外已有很多研究者做了深入的研究。馮志華、劉帥[1]在結(jié)構(gòu)上提出了一種噴氣型紡織機(jī)的主噴嘴模型和裝配方法。董騰中等[2]基于FLUENT軟件，對主噴嘴內(nèi)部流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。張科[3]將主噴嘴內(nèi)部等直徑導(dǎo)紗管改為錐形導(dǎo)紗管，研究了錐形導(dǎo)紗管兩端直徑比對內(nèi)部流場的影響。路翔飛[4]對噴嘴芯不同拋物線方程、錐形套斜率等參數(shù)所形成的流場進(jìn)行了研究。LIU Dingding等[5]利用正交實(shí)驗(yàn)法研究了噴嘴芯出口處外徑、整流槽至噴嘴芯出口距離、噴嘴芯α面投影長度等參數(shù)對流場以及紗線牽引力的影響。CHEN Liang等[6]通過主噴嘴“串聯(lián)”的結(jié)構(gòu)形式分析了其內(nèi)部流場的分布情況。LIU Shuai等[7-8]通過對紗線進(jìn)行等離子處理，探究紗線表面特性與紗線所受阻力的響應(yīng)關(guān)系。國外，VIKTOROV V等[9]結(jié)合流場數(shù)值計算和試驗(yàn)，對主噴嘴內(nèi)流場的牽引力進(jìn)行分析和評估。KERMANPUR A等[10]以工業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將噴嘴的不同噴射角度、垂直高度等參數(shù)對射流推力的影響做了相關(guān)的靈敏度分析。OYAMA. A等[11]通過將優(yōu)化遺傳算法與流體計算方程相結(jié)合，以軸流透平葉片的相關(guān)參數(shù)為設(shè)計變量，以熵為評價指標(biāo)，開發(fā)了針對渦輪片結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化軟件，在一定條件下得出了最優(yōu)葉片以及最小熵?fù)p失量。

上述研究未能有效預(yù)估主噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與紗線所受牽引力關(guān)系，也沒有形成主噴嘴的具體優(yōu)化方法。因此，本文對建立適用于ZAX型噴氣織機(jī)主噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化平臺做了相關(guān)研究。具體而言，基于VB軟件，將建模、流場分析、函數(shù)關(guān)系擬合和優(yōu)化集成，以內(nèi)部參數(shù)變?yōu)樵O(shè)計變量，一端固定紗線所受牽引力大小為設(shè)計目標(biāo)，對主噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，形成了一個較為完整的主噴嘴尺寸優(yōu)化體系，極大地縮短了主噴嘴優(yōu)化周期，提高了主噴嘴的引緯效率，同時也對工程類結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的參考。

1 主噴嘴結(jié)構(gòu)及流場模型

1.1 主噴嘴

ZAX型噴氣織機(jī)主噴嘴是由噴嘴體、噴嘴芯、錐形套和加速導(dǎo)紗管組成。壓縮空氣從上端入口進(jìn)入，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)腔，形成主噴嘴內(nèi)部流場，牽引紗線向前作軸向運(yùn)動。紗線在主噴嘴流場中運(yùn)動受力模型如圖1所示。

1—噴嘴芯；2—噴嘴體；3—錐形套；4—加速導(dǎo)紗管。圖1 紗線在流體中運(yùn)動受力模型

1.2 主噴嘴流場三維模型

基于上述主噴嘴結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過ANSYS內(nèi)置APDL語言對主噴嘴內(nèi)部流場進(jìn)行參數(shù)化建模。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：噴嘴芯外端徑向距離V4、噴嘴芯內(nèi)孔半徑V2、錐形套高度V3、環(huán)形氣室徑向高度V1、喉部長度H2、環(huán)形氣室軸向長度H3等。主噴嘴內(nèi)部流場三維模型以及相關(guān)結(jié)構(gòu)變量分布如圖2 所示。

圖2 主噴嘴內(nèi)部流場模型及設(shè)計變量

模型建立后，通過APDL命令流對其參數(shù)化劃分網(wǎng)格?？紤]流體模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜以及流體仿真計算對網(wǎng)格精度的要求，以結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格混合的形式對流場模型劃分網(wǎng)格。流場網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 主噴嘴流場網(wǎng)格模型

2 主噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文在0.3MPa的供氣壓力下，通過單因素分析法，選取對紗線所受牽引力靈敏度影響較大的設(shè)計變量，并給定設(shè)計變量設(shè)計約束，通過優(yōu)化算法求得最優(yōu)設(shè)計參數(shù)組合以及對應(yīng)的紗線所受最大牽引力。數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。

(1)

鑒于VB軟件可視化、模塊化的編譯優(yōu)勢，本文基于VB軟件將主噴嘴內(nèi)部流場建模、流場仿真計算、設(shè)計變量與設(shè)計目標(biāo)關(guān)系的擬合以及遺傳尋優(yōu)等6個模塊于VB中集成，生成.exe可執(zhí)行文件。具體流程如圖4所示。

圖4 軟件優(yōu)化流程圖

2.1 模型更改和流場計算

通過ANSYS中APDL命令流對流場模型參數(shù)化建模。首先，將參數(shù)化建模中的部分參數(shù)設(shè)定為變量，通過程序的循環(huán)迭代，實(shí)現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化以及生成不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的.mac宏文件。其次，通過VB對ANSYS的調(diào)用，驅(qū)動ANSYS讀取.mac宏文件，實(shí)現(xiàn)主噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化、網(wǎng)格的劃分和邊界面的定義，并生成對應(yīng)的.cdb網(wǎng)格文件，流程圖如圖5所示。最后通過FLUENT內(nèi)置TUI語言，實(shí)現(xiàn)FLUENT對網(wǎng)格文件的讀取、流體的參數(shù)化設(shè)置以及流體的仿真計算。與模型更改流程類似，在此不重復(fù)敘述。其中邊界條件設(shè)置參考文獻(xiàn)[4]。在流體計算收斂后輸出中心軸線上的速度、密度等參數(shù)，圖6為流場速度分布云圖。

圖5 模型更改流程圖

圖6 流場速度分布云圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

對流場計算輸出的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行讀取，根據(jù)文獻(xiàn)[10]牽引力公式計算出紗線在不同主噴嘴流場中所受的牽引力大小。作用在紗線微元段上的牽引力如式(2)所示。

(2)

式中：Cf氣流與紗線之間的摩擦因數(shù)；d為紗線直徑；ρ氣流密度；v為氣流速度；u為緯紗飛行速度；dl為微段紗線長度。Cf是根據(jù)文獻(xiàn)[12]，通過實(shí)驗(yàn)和仿真計算得出流場對不同紗線的牽引系數(shù)，例如OER13.5S型紗線牽引系數(shù)隨相對速度變化及擬合曲線如圖7所示。

圖7 OER13.5S型紗線牽引系數(shù)隨速度變化曲線

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，當(dāng)氣流速度超過50m/s時，紗線才能被順利引緯。通過對原始流場結(jié)構(gòu)模型仿真，分析中心軸線的速度分布，可大致得出所選取紗線的長度。根據(jù)以上參數(shù)和紗線所受牽引力公式可獲得不同主噴嘴結(jié)構(gòu)下紗線所受牽引力的大小。主噴嘴軸向速度分布如圖8所示，紗線在不同入口氣壓下長度取值如表1所示。

圖8 主噴嘴軸向速度分布圖

表1 不同氣壓對應(yīng)紗線長度表

氣壓P/MPa紗線長度L/m0.30.2670.40.2720.50.284

2.3 函數(shù)關(guān)系的擬合

通過編寫擬合算法，以多元二次項(xiàng)形式擬合出設(shè)計變量與設(shè)計目標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。具體形式如式(3)所示。

(3)

其中:Ai、Bk、Ci、D為系數(shù)項(xiàng)，xi為設(shè)計變量。利用最小二乘法，構(gòu)造新函數(shù)如式(4)所示。

(4)

2.4 遺傳全局尋優(yōu)

遺傳算法尋優(yōu)過程是模仿自然生物進(jìn)行機(jī)制發(fā)展起來的隨機(jī)全局搜索和優(yōu)化方法。通過將設(shè)計變量的十進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制初始種群，以適應(yīng)度計算、選擇、交叉和變異的方式來實(shí)現(xiàn)主噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，最后通過將輸出的最優(yōu)數(shù)據(jù)傳遞給模型更改模塊來實(shí)現(xiàn)模型的更改，通過重復(fù)迭代計算，尋找設(shè)計變量最優(yōu)參數(shù)組合。收斂標(biāo)準(zhǔn)如式(5)。

(5)

其中ε取值為0.01。最后輸出最優(yōu)參數(shù)組合以及最大牽引力值。圖9為遺傳算法流程圖。

圖9 遺傳尋優(yōu)流程圖

3 優(yōu)化結(jié)果分析

通過該軟件的仿真優(yōu)化，對28組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的主噴嘴進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算出長度為0.267m的OER10.5S規(guī)格紗線在主噴嘴入口壓力為0.3MPa的條件下所受的牽引力大小。

3.1 靈敏度的計算結(jié)果

通過單因素分析法，在約束區(qū)間內(nèi)對設(shè)計變量做微小的變動，同時保持其他變量參數(shù)不變，進(jìn)行仿真計算，計算得到相應(yīng)的牽引力值大小，通過差分計算，得到各個變量對紗線所受牽引力的影響因子，如圖10所示，分別為：V4、V2、V3、V1、H2。

圖10 設(shè)計變量對牽引力靈敏度圖

3.2 參數(shù)優(yōu)化分析結(jié)果

表2給出了主噴嘴優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紗線所受牽引力大小。

表2 優(yōu)化前后主噴嘴各參數(shù)對比

擬合設(shè)計點(diǎn)的牽引力大小與仿真計算值對比如圖11、圖12所示。

圖11 牽引力擬合值與仿真計算值對比圖

圖12 牽引力擬合值與仿真計算值殘差圖

主噴嘴優(yōu)化前后中性面流場速度云圖如圖13、圖14所示。

圖13 優(yōu)化前流體中性面速度云圖

圖14 優(yōu)化后流體中性面速度云圖

結(jié)合圖15所示的優(yōu)化前后主噴嘴內(nèi)部流場中心軸線速度分布圖可知：優(yōu)化后主噴嘴環(huán)形氣室的氣流分布更為均勻，導(dǎo)紗管出口以及中心軸線的最大速度提高了2～5m/s，在負(fù)壓區(qū)前端，中心軸線速度高了12m/s左右，且負(fù)速度區(qū)的長度縮減1.4mm。紗線在優(yōu)化后主噴嘴中所受牽引力大小較優(yōu)化前提高了10.6%。

圖15 0.3 MPa下優(yōu)化前后軸向中心速度對比圖

綜上所述，在V4=0.65mm、V2=0.90mm、V3=1.28mm、V1=1.32mm、H2=8.16mm的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，OER10.5S規(guī)格紗線所受最大牽引力fmax=0.291N。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此套優(yōu)化理論以及優(yōu)化結(jié)果的正確性，對優(yōu)化前后主噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 材料準(zhǔn)備

通過3D打印，打印出優(yōu)化前后的主噴嘴，采用光敏樹脂材質(zhì)，打印精度為0.1mm，模型如圖16所示。

圖16 優(yōu)化前后主噴嘴模型圖

4.2 牽引力測量裝置

裝置主要由FD-1動態(tài)張力儀、BZ2210系列多通道動態(tài)電阻應(yīng)變儀、DLF-3雙通道電荷電壓濾波積分放大器、INV高精度數(shù)據(jù)采集分析儀(圖17、圖18)組成。其中動態(tài)張力儀將收集到的應(yīng)變信號傳送到動態(tài)電阻應(yīng)變儀，信號經(jīng)過積分放大器的放大作用被數(shù)據(jù)采集儀接受并傳到計算機(jī)設(shè)備。

圖17 牽引力測試裝置結(jié)構(gòu)組成

圖18 主噴嘴處局部放大圖

4.3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分析

在主噴嘴入口壓力為0.2～0.5MPa(增量為0.05MPa)下，對紗線進(jìn)行牽引力測量，測量結(jié)果如圖19所示：不同氣壓下，紗線所受牽引力的仿真值與實(shí)驗(yàn)值存在一定的誤差，最大誤差比為17.1%，但通過優(yōu)化前后的噴嘴實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)對比可知，在工況一定的條件下，不論是仿真計算還是實(shí)驗(yàn)測試，優(yōu)化后的主噴嘴對應(yīng)的紗線所受牽引力得到了提高。其中，仿真計算牽引力提高了10.6%，實(shí)驗(yàn)測量牽引力提高了6.4%，驗(yàn)證了優(yōu)化的可靠性，提高了噴氣織機(jī)的織布效率。

圖19 主噴嘴優(yōu)化前后紗線所受牽引力對比試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

1) 基于VB平臺，將參數(shù)化建模、流場數(shù)值模擬、函數(shù)關(guān)系擬合以及遺傳尋優(yōu)算法集成，編制出一套針對ZAX型噴氣織機(jī)主噴嘴的優(yōu)化算法,極大地提高了優(yōu)化效率。

2) 通過靈敏度分析，確定了以噴嘴芯外端徑向距離V4、噴嘴芯內(nèi)孔半徑V2、錐形套高度V3、環(huán)形氣室徑向高度V1、喉部長度H2為設(shè)計變量，以紗線所受牽引力為設(shè)計目標(biāo)，在入口壓力為0.3MPa下，得出了在一定設(shè)計約束條件下，主噴嘴的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合以及紗線所受最大牽引力值fmax。發(fā)現(xiàn)當(dāng)V4=0.65mm、V2=0.90mm、V3=1.28mm、V1=1.32mm、H2=8.16mm時紗線所受牽引力fmax=0.291N。

3) 通過3D打印，將優(yōu)化前后模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，驗(yàn)證了此套優(yōu)化算法的可靠性和優(yōu)化結(jié)果的正確性。其中，主噴嘴優(yōu)化前后所測得紗線牽引力值與仿真計算所得值存在一定的誤差，這是由于光敏樹脂材質(zhì)的主噴嘴內(nèi)部較為粗糙，而仿真時流體與主噴嘴內(nèi)表面為光滑接觸，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)主噴嘴內(nèi)部氣流速度低于仿真流速，進(jìn)而使得實(shí)驗(yàn)所測牽引力值小于仿真所得牽引力值。