基于混合协同智能算法的变截面涡旋膨胀机集成优化研究

For inherent characteristics restriction of single profile scroll machine and optimization hard problem of multiparameter, complex constraints, nonlinearity, strong coupling and multi-objective mathematical model, the hybrid collaborative intelligent algorithm is presented to realize integrated optimization of variable thickness scroll expander. Geometrical characteristics and dynamic characteristics are studied based on whole profile meshing mechanism. Uniform parameters descriptive system of variable thickness scroll profile is established under general reference frame. Change rule of profile and the influence mechanism of characteristic parameters for comprehensive properties are gotten. The influences of the organic working fluids physical properties, operating parameters, geometrical properties, thermodynamic properties, dynamic properties, friction properties on variable thickness scroll expander are quantitatively and comprehensively studied from the point of system engineering. The optimal model coupled fluid, thermodynamics, dynamics and performance evaluation system is created. The effective mechanism of dealing with collaborative simulation and integrated optimization for complex mechanical system in multidisciplinary field is studied. Efficient hybrid collaborative intelligent algorithm frame is established based on intelligent optimization algorithm as the core, the fitting fusion rule and collaborative optimization idea. The novel algorithm frame can overcome the defect of low computing efficiency and easily plunging into the local optimum for complex mechanical system. The research results will achieve the change from empirical design to intelligence integrated optimize design and establish the theoretical foundation for development of new and high efficient scroll expander.

针对现有单一型线涡旋机械固有特性的限制以及目前的智能算法难以适应多参数、复杂约束、非线性、强耦合和多目标数学模型的优化问题，本项目通过混合协同智能算法实现变截面涡旋膨胀机的集成优化；研究基于全齿啮合机理的通用变截面涡旋型线的几何特性和动力特性，建立通用坐标框架下变截面涡旋型线的统一参数描述体系，揭示型线的形状变化规律以及特征参数对综合特性的影响机理；从系统工程角度出发，定量化综合分析有机工质物性、运行参数、几何特性、热力特性、动力特性、摩擦特性对整机系统性能的影响规律，构建气、热、动力耦合协同作用的优化模型和综合性能评价体系；研究处理复杂机械系统多学科领域协同仿真与优化集成的有效机制，构建以智能优化算法为核心，以相宜的融合规则和协同优化思想为方法的高效混合协同智能优化算法框架，克服现有复杂机械系统智能优化计算效率低、易陷入局部最优解等问题，实现涡旋机械从经验设计到智能集成优化设计的过渡。

节能、减排、新能源的开发利用以及提高现有能源的利用效率已经成为当今世界各国研究的重要课题之一，目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。ORC涡旋发电系统是解决中低品位热能有效利用的一个重要途径，作为其“心脏”--涡旋膨胀机的性能很大程度上影响着整个系统的综合性能。本项目以涡旋机械为研究对象，从型线的几何学、热力学、动力学、传热、摩擦和泄漏出发，借助于CAD/CAM/CAE手段，采用理论与试验相结合的研究方法，对涡旋机械的热、动力特性展开了详细研究。主要研究内容包括：（1）对等壁厚和变壁厚涡旋齿的几何特性进行了详细的探讨，采用控制变量法对比分析了不同涡旋型线几何参数和结构参数之间的相互关系。（2）基于能量和质量守恒，充分考虑工作过程中的吸/排气加热、径向和切向泄漏、工质与涡旋盘的传热，构建了涡旋机械的整体数学模型，得到了工作腔容积的变化情况，详细分析了实际气体在工作过程中温度、压力、质量、摩擦损失和轴功率随曲轴转角的变化规律，定量化研究了不同参数对整机性能的影响。并将模拟计算结果与试验数据进行了对比，从而验证了数学模型的准确性。(3) 提出了一种包含交叉算子和矢量跟踪思想的新混合杂草算法 (HIWO) 来优化NN结构，构建了NN模型参数的IWO主副分区编码方案，根据个体适应度值的大小来动态调整隐层节点及连接权个数，并实现了算法的整个过程。以涡旋机械的模拟和实验数据作为HIWO-NN的训练样本，并通过实例仿真与GA、PSO和IWO构建的NN结构进行了比较，仿真结果表明采用HIWO的NN能快速准确的实现涡旋机械的性能预测，从而验证了新算法的有效性。(4)采用CAD/CAM/CAE的方法来开发新型涡旋机械，将其贯穿于概念设计到产品试验的全过程，结合CAD和数学模型获得优化的几何参数，采用CAE对涡旋盘进行多物理场耦合分析，从而获得最佳装配间隙值，采用CAM和双圆弧插值算法实现涡旋齿的高精度加工，基于三平面法开发了涡旋转子专用动平衡机，从而保证了涡旋机械的微振、低噪和高效平稳运行。