基于代理模型的风道结构尺寸优化方法技术

本发明专利技术公开一种基于代理模型的风道结构尺寸优化方法，包括：(10)原始方案建模仿真：根据风道原始结构尺寸，建立风道CFD模型，计算结构尺寸优化目标变量初始值，(20)数学模型建立：选择结构优化变量，建立优化问题数学模型，(30)结构优化变量采样：在结构优化变量的取值范围内进行结构优化变量采样，(40)样本建模仿真：计算根据结构优化变量样本组合的每个方案的结构尺寸优化目标变量取值；(50)构建代理模型：构建多项式响应面代理模型，拟合每个结构尺寸优化目标变量和结构优化变量之间的函数关系；(60)多目标优化：求解优化问题数学模型，获得风道优化结构尺寸。本发明专利技术的风道结构尺寸优化方法，工作量小、周期短。

Optimizing Method of Wind Channel Structure Size Based on Agent Model

【技术实现步骤摘要】
基于代理模型的风道结构尺寸优化方法
本专利技术属于通风管道结构设计
，特别是一种工作量小、省时省力、产品开发周期短的基于代理模型的风道结构尺寸优化方法。
技术介绍
风道是空调系统用于送风的重要部件，室内温度的变化和出口的风量呈正相关，各个位置的出风量要尽可能保持一致。实际工作时，由于风道比较狭长，在风道截面形状不作改变的前提下，气流在风道中向后流动的过程中速度衰减较大，靠近进风口和远离进风口位置的各个出口处气体流速的差异极大。除此以外，风道内气流流动也不可避免地会产生气动噪声，这又在一定程度上降低了舒适性。噪声会分散注意力，影响人的心情，降低工作效率。其中，流速是影响噪声的一个重要因素，在风速高的情况下，气动噪声非常明显。这是目前风道结构设计中存在的两个最主要问题，需要对风道结构进行优化设计。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101976276A，公开日为2011年02月16日，公开了一种空调器风道结构优化设计方法，包括步骤：利用建模软件建立至少2种不同结构的空调器风道CFD模型；通过CFD软件计算出噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量；比对出各种风道模型中风量大且噪声小的模型，并将其作为预选方案；对所述预选方案做至少一次风道模型修改，再次重复上述步骤选择更优方案；确定最终风道模型，进行噪声实验和风量实验。但该技术对设计参数采用反复调整择优的方法，工作量极大且不能准确描述设计参数和性能响应之间的关系，导致风道结构的最优化设计难以实现。总之，现有技术存在的问题是：空调风道结构优化设计费时费力、产品开发周期长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于代理模型的风道结构尺寸优化方法，工作量小、省时省力、产品开发周期短。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于代理模型的风道结构尺寸优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(10)原始方案建模仿真：根据风道原始结构尺寸，建立风道CFD模型，在最大风量输出工况下计算得到结构尺寸优化目标变量初始值；(20)数学模型建立：根据风道原始结构形式，选择入口、出口、弯管内侧倒角、弯管外侧倒角中至少两处结构尺寸作为结构优化变量，并根据风道整体结构的尺寸限制确定其变化范围，以结构尺寸优化目标变量最小为优化目标，建立优化问题数学模型；(30)结构优化变量采样：利用最优拉丁超立方设计方法，在结构优化变量的取值范围内进行结构优化变量采样，结构优化变量样本个数根据代理模型所需的最小值初步拟定；(40)样本建模仿真：根据结构优化变量样本组合方案分别建立新的CFD模型，并分别在最大风量输出工况下计算得到每个方案的结构尺寸优化目标变量取值；(50)构建代理模型：构建多项式响应面代理模型，拟合每个结构尺寸优化目标变量和结构优化变量之间的函数关系，并验证代理模型的精度，精度不满足时，增加多项式阶数，仍不满足，则增加样本个数；(60)多目标优化：采用带有精英保留策略的快速非支配多目标优化算法，求解优化问题数学模型，获得使结构尺寸优化目标变量最小的结构优化变量取值，即风道优化结构尺寸。与现有技术相比，本专利技术的显著优点在于：工作量小、省时省力、产品开发周期短：本专利技术通过构建多项式响应面代理模型的方式，得到了风道多个结构尺寸优化目标变量与结构优化变量间的数学函数关系，充分考虑了结构优化变量之间的耦合关系，以及结构尺寸优化目标变量间的关联特性；最优拉丁超立方设计方法使得样本个数可人为控制且提升了样本点分布的均匀性，有效减少了仿真分析的次数；采用带有精英保留策略的快速非支配多目标优化算法，实现了风道结构优化变量的快速寻优。附图说明图1为本专利技术基于代理模型的风道结构尺寸优化方法的主流程图。图2为实施例风道的三维结构示意图。图3为实施例风道的二维结构示意图。图中，1是出口，2是弯管内侧倒角，3是入口。具体实施方式如图1所示，本专利技术基于代理模型的风道结构尺寸优化方法，包括以下步骤：(10)原始方案建模仿真：根据风道原始结构尺寸，建立风道CFD模型，在最大风量输出工况下计算得到结构尺寸优化目标变量初始值；所述结构尺寸优化目标变量包括用以评价出风均匀性的出口风量差和用以评价气动噪声水平的偶极子噪声声功率级。可采用CFD软件在最大风量输出工况下计算得到结构尺寸优化目标变量初始值。(20)数学模型建立：根据风道原始结构形式，选择入口、出口、弯管内侧倒角、弯管外侧倒角中至少两处结构尺寸作为结构优化变量，并根据风道整体结构的尺寸限制确定其变化范围，以结构尺寸优化目标变量最小为优化目标，建立优化问题数学模型；所述(20)数学模型建立步骤中，所述优化问题数学模型的表达式为：其中，结构优化变量x＝{x1，x2，…，xm}，m为结构优化变量个数；V-rnin表示最小化问题，即结构尺寸优化目标变量f(x)＝[f1(x)，f2(x)，…，fn(x)]T中的所有子目标变量都尽可能达到最小，n为结构尺寸优化目标变量个数；gi(x)≤0为不等式约束条件，根据结构优化变量或结构尺寸优化目标变量的约束确定，l为约束条件个数。(30)结构优化变量采样：利用最优拉丁超立方设计方法，在结构优化变量的取值范围内进行结构优化变量采样，结构优化变量样本个数根据代理模型所需的最小值初步拟定；可在Isight软件中，利用最优拉丁超立方设计方法，在结构优化变量的取值范围内进行结构优化变量采样。所述(30)结构优化变量采样步骤中，结构优化变量样本个数应不少于最高阶构建多项式响应面代理模型所需的最少样本个数，4阶多项式响应面代理模型所需的最少样本个数计算公式为：N＝(m+1)(m+2)/2+3m其中，N为最少样本个数，m为结构优化变量个数。(40)样本建模仿真：根据结构优化变量样本组合方案分别建立新的CFD模型，并分别在最大风量输出工况下计算得到每个方案的结构尺寸优化目标变量取值；(50)构建代理模型：构建多项式响应面代理模型，拟合每个结构尺寸优化目标变量和结构优化变量之间的函数关系，并验证代理模型的精度，精度不满足时优先考虑增加多项式阶数，其次增加样本个数；所述(50)构建代理模型步骤包括：(51)代理模型选择：初始可选择公式简单的低阶多项式或精度较高的高阶多项式，构建多项式响应面代理模型；(52)代理模型精度验证：根据每个方案的结构尺寸优化目标变量取值，分别拟合每个结构尺寸优化目标变量和结构优化变量之间的函数关系，并用方差分析的方法验证代理模型的精度；(53)精度判断：将代理模型精度与精度阀值比较，当不满足要求时，优先考虑增加多项式阶数，再用方差分析的方法验证代理模型的精度，如果仍然不满足则增加样本个数，转至(30)结构优化变量采样步骤；(60)多目标优化：采用带有精英保留策略的快速非支配多目标优化算法，求解优化问题数学模型，获得使结构尺寸优化目标变量最小的结构优化变量取值，即风道优化结构尺寸。下面结合本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例(10)原始方案建模仿真：根据风道原始结构尺寸，建立风道CFD模型，在最大风量输出工况下计算得到结构尺寸优化目标变量初始值。建模仿真过程具体包括以下操作：1)根据原始风道的CAD图纸，用CATI本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于代理模型的风道结构尺寸优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(10)原始方案建模仿真：根据风道原始结构尺寸，建立风道CFD模型，在最大风量输出工况下计算得到结构尺寸优化目标变量初始值；(20)数学模型建立：根据风道原始结构形式，选择入口、出口、弯管内侧倒角、弯管外侧倒角中至少两处结构尺寸作为结构优化变量，并根据风道整体结构的尺寸限制确定其变化范围，以结构尺寸优化目标变量最小为优化目标，建立优化问题数学模型；(30)结构优化变量采样：利用最优拉丁超立方设计方法，在结构优化变量的取值范围内进行结构优化变量采样，结构优化变量样本个数根据代理模型所需的最小值初步拟定；(40)样本建模仿真：根据结构优化变量样本组合方案分别建立新的CFD模型，并分别在最大风量输出工况下计算得到每个方案的结构尺寸优化目标变量取值；(50)构建代理模型：构建多项式响应面代理模型，拟合每个结构尺寸优化目标变量和结构优化变量之间的函数关系，并验证代理模型的精度，精度不满足时，增加多项式阶数，仍不满足，则增加样本个数；(60)多目标优化：采用带有精英保留策略的快速非支配多目标优化算法，求解优化问题数学模型，获得使结构尺寸优化目标变量最小的结构优化变量取值，即风道优化结构尺寸。...

【技术特征摘要】
1.一种基于代理模型的风道结构尺寸优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(10)原始方案建模仿真：根据风道原始结构尺寸，建立风道CFD模型，在最大风量输出工况下计算得到结构尺寸优化目标变量初始值；(20)数学模型建立：根据风道原始结构形式，选择入口、出口、弯管内侧倒角、弯管外侧倒角中至少两处结构尺寸作为结构优化变量，并根据风道整体结构的尺寸限制确定其变化范围，以结构尺寸优化目标变量最小为优化目标，建立优化问题数学模型；(30)结构优化变量采样：利用最优拉丁超立方设计方法，在结构优化变量的取值范围内进行结构优化变量采样，结构优化变量样本个数根据代理模型所需的最小值初步拟定；(40)样本建模仿真：根据结构优化变量样本组合方案分别建立新的CFD模型，并分别在最大风量输出工况下计算得到每个方案的结构尺寸优化目标变量取值；(50)构建代理模型：构建多项式响应面代理模型，拟合每个结构尺寸优化目标变量和结构优化变量之间的函数关系，并验证代理模型的精度，精度不满足时，增加多项式阶数，仍不满足，则增加样本个数；(60)多目标优化：采用带有精英保留策略的快速非支配多目标优化算法，求解优化问题数学模型，获得使结构尺寸优化目标变量最小的结构优化变量取值，即风道优化结构尺寸。2.根据权利要求1所述风道结构尺寸优化方法，其特征在于：所述结构尺寸优化目标变量包括用以评价出风均匀性的出口风量差和用以评价气动噪声水平的偶极子噪声声功率级。3.根据权利要求1所述风道结构尺寸优化方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王良模，陆嘉伟，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32