垂直微結(jié)構(gòu)剖面儀主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化.docxVIP

1、垂直微結(jié)構(gòu)剖面儀主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化姜欣劉玉紅宋詩(shī)軍王延輝天津大學(xué)，天津,300072摘要：垂直微結(jié)構(gòu)剖面儀是獲取海洋微結(jié)構(gòu)湍流數(shù)據(jù)最有效的測(cè)量平臺(tái)，其下降過(guò)程中產(chǎn)生的流致振動(dòng)是影響剖面儀測(cè)量材度的主要因素。分析了影響剖面儀流致振動(dòng)的因素，基于ANSYS-Workbench數(shù)值仿真平臺(tái)，采用雙向流固耦合算法，得到了割面儀流致振動(dòng)與其結(jié)構(gòu)外形及參數(shù)之間的美系。在此基礎(chǔ)上，以減,小流致振動(dòng)為目標(biāo)，采用單目標(biāo)優(yōu)化方法分別對(duì)剖面儀主體結(jié)構(gòu)外形及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.優(yōu)化后的剖面儀測(cè)量耕度提高了57%。研究成果為垂直微結(jié)構(gòu)割面儀及類(lèi)似站構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：垂直微結(jié)構(gòu)剖面儀；測(cè)址精度；流致振動(dòng)；流固

2、耦合；結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類(lèi)號(hào):THU3DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.01.017StructureOptimizationforMainBodyofVerticalMicrostructureProfilerJiangXinLiuYuhongSongShijunWangYanhuiTianjinUniversity,Tianjin,300072Abstract：Verticalmicrostructureprofiler(VMP)isamostcommonandeffectiveplatformtoobtaindataofmicrostructureturbu

3、lenceintheocean.TheFIVisthemainfactoraffectingthemeasurementprecisionoftheVMP.FactorsinfluencingtheFIVoftheVMPwereanalyzedherein.BasedonthenumericalsimulationplatformofANSYS-Workbench,theFIVoftheVMPwithvariousshapesandstructureparameterswascalculatedusingalgorithmoftwo-wayfluid-structurecoupling.Aim

4、edtodecreasetheFIV,themainbodyshapeandthestructureparametersofthemainbodywereoptimizedrespectively.Themeasurementprecisionoftheoptimizedprofilerisimprovedby57%.ThepresentinvestigationprovidesscientificguidancefordesigningtheVMP.Keywords：verticalmicrostructureprofilerVMP)；measurementprecision；flow-in

5、ducedvibra-tion(FIV)?fluid-structurecoupling；structureoptimization0引言海洋微結(jié)構(gòu)湍流對(duì)海水的動(dòng)披、熱量和質(zhì)量輸運(yùn)都有重要貢獻(xiàn)，對(duì)海水運(yùn)動(dòng)速度、溫鹽特性及水中溶解態(tài)、顆粒態(tài)物質(zhì)的分布有顯著影響，是產(chǎn)生海洋宏觀現(xiàn)象的原動(dòng)力。搭載翼型剪切流傳收稿日期；2013-03-21基金項(xiàng)目，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)腰計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2010AA09Z102)i國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105268)YangWangyucHuAnmin.SunZuqing.EffectofAusteniteGrainSizeonStrainEnhanc

6、edTransformationinaLowCarbonSteelJJ.ActaMetallurgiesSinica.200036(10):1055-1060.12尹云洋.楊王珂，李龍飛，等.基于過(guò)冷奧氏體動(dòng)態(tài)相變的熱軋TRIP鋼組織控制I.原始奧氏體品粒尺寸J.金屬學(xué)報(bào)，2010,46(2),155-160.YinYunyang.YangWangyue,LiLongfei*etal.MicrostruciureControlofHotRolledTripSteelBasedonDynamicTransformationofUndercooledAusteniteI.PriorAustenit

7、eGrainSizeJ.Acta感器的垂直微結(jié)構(gòu)剖面儀是精確測(cè)量海洋微結(jié)構(gòu)湍流數(shù)據(jù)的最有效和普遍的測(cè)量平臺(tái)。垂直微結(jié)構(gòu)剖面儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)剖面儀）的研制始于20世紀(jì)70年代，由Osborn研制成功，并搭載了翼型剪切流傳感器，成功地對(duì)海洋微結(jié)構(gòu)湍流進(jìn)行了測(cè)雖。目前，加拿大、美國(guó)、日本及歐洲部分國(guó)家對(duì)剖面儀的研制處于領(lǐng)先水平J國(guó)內(nèi)僅天津大學(xué)最早于2004年開(kāi)始進(jìn)行剖面儀MetallurgiesSinica,2010.46(2)：155-160.(編輯陳勇)作者簡(jiǎn)介：以男.1978年生.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院期教授.主要研究方向?yàn)榇笮湾懠に嚰皟?yōu)化.畋，女.1988年生.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。金

8、森，界.1968年生.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。!玉鄴.男，1978年生.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)師.簇潸華.舅.1963年生.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司高級(jí)工程師，的研制刃，歷經(jīng)原理樣機(jī)、試驗(yàn)樣機(jī)，于2011年研制成功我國(guó)第一臺(tái)剖面儀工程樣機(jī)目前剖面儀不僅可以測(cè)量:海洋微結(jié)構(gòu)湍流，而且可以搭載CTD、濁度計(jì)等進(jìn)行海洋溫度、鹽度、濁度等海洋環(huán)境參數(shù)的測(cè)量.剖面儀下降過(guò)程中產(chǎn)生的流致振動(dòng)是影響其測(cè)量精度的主要因素。流致振動(dòng)現(xiàn)象是剖面儀下降過(guò)程中不可避免的一種有害現(xiàn)象，會(huì)影響剖面儀的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性從而影響湍流測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了減小剖面儀下降過(guò)程中產(chǎn)生的流致振

9、動(dòng)影響,本文以天津大學(xué)研制的第二代剖面儀工程樣機(jī)為對(duì)象，分析影響剖面儀流致振動(dòng)的結(jié)構(gòu)因素，以減小流致振動(dòng)為目標(biāo)，對(duì)剖面儀外形及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1剖面儀的流致振動(dòng)及計(jì)算方法1.1剖面儀的流致振動(dòng)剖面儀在下降過(guò)程中受到流體力的作用，會(huì)改變剖面儀的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，剖面儀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變反過(guò)來(lái)乂會(huì)影響剖面儀周?chē)牧鲌?chǎng)，從而使剖面儀受到的流體力發(fā)生改變。剖面儀與流體的相互作用最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，使剖面儀呈現(xiàn)出規(guī)律的擺動(dòng)，這就是剖面儀的流致振動(dòng)。Mourn等對(duì)Chameleon剖面儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后指出，流致振動(dòng)決定著剖面儀湍動(dòng)能耗散率的測(cè)量下限。Osborn在使用第一臺(tái)垂直剖面儀測(cè)筮時(shí)發(fā)現(xiàn)，低頻率的凹切流

10、數(shù)據(jù)不是實(shí)際的流速脈動(dòng)，而是剖面儀本體由于流致振動(dòng)而產(chǎn)生的低頻鐘擺運(yùn)動(dòng)。Miller等在AMP系列剖面儀研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剖面儀的流致振動(dòng)頻率接近固有頻率時(shí)會(huì)引起剖面儀的共振，嚴(yán)重影響剖面儀的測(cè)量精度，他還指出平滑的剖面儀禿體（如減少凸起）可改善剖面儀的流致振動(dòng)情況。以上研究結(jié)果表明，剖面儀的流致振動(dòng)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān).因此，可通過(guò)優(yōu)化剖面儀的結(jié)構(gòu)形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)降低剖面儀的流致振動(dòng)效應(yīng)。1.2流致振動(dòng)計(jì)算方法基于ANSYS-Workbench數(shù)值仿真平臺(tái)，將流體計(jì)算軟件CFX與結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件ANSYS結(jié)合進(jìn)行流固雙向耦合計(jì)算，由CFX進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。采用雙向分離式順序計(jì)算方

11、法.即流固耦合系統(tǒng)的流體域和固體域按各自劃分的網(wǎng)格與設(shè)定的參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算，然后在流固耦合面上進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)耦合計(jì)算，其中CFX向ANSYS傳輸?shù)氖瞧拭鎯x的受力情況，ANSYS向CFX傳輸?shù)氖瞧拭鎯x的位移情況。文獻(xiàn)13證明了利用該方法進(jìn)行剖面儀流致振動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性與可靠性。流固耦合計(jì)算區(qū)域計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體，如圖1所示。為保證流體充分發(fā)展，剖面儀前端距流體入曰的距離L】=2L,剖面儀后端距流體出口的距離L2=3L,其中L為剖面儀主體氏度（圖1中點(diǎn)A、O之間距離）；由于剖面儀流致振動(dòng)的計(jì)算涉及動(dòng)網(wǎng)格，剖面儀在橫向進(jìn)行擺動(dòng)，所以水域的寬度W要取得足夠大，在此取H=W=16D,其中D為剖面儀

12、的直徑。圖1中O點(diǎn)為擺動(dòng)中心的位曾,F,為剖面儀浮心的位置,G,為剖面儀重心的位置,A點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)。計(jì)算時(shí)，記錄觀測(cè)點(diǎn)A的位移與速度，從而獲得剖面儀的流致振動(dòng)數(shù)據(jù)。圖I剖面儀計(jì)算區(qū)域示意圖流體區(qū)域與結(jié)構(gòu)區(qū)域均采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證計(jì)算精度，經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，流場(chǎng)區(qū)域剖面儀最大面網(wǎng)格設(shè)為16mm,增K率設(shè)為1.1,結(jié)構(gòu)區(qū)域剖面儀面網(wǎng)格最大尺寸為30mm。流體區(qū)域的入口設(shè)為速度入口，流速取剖面儀實(shí)際工作速度0.65m/s,流體區(qū)域出口設(shè)為壓力出口，流體四周的區(qū)域邊界設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界條件，剖面儀的壁面設(shè)置為流固耦合面。流場(chǎng)計(jì)算采用k-e湍流模型，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s,總計(jì)算時(shí)間為80s。計(jì)算時(shí)，記

13、錄觀測(cè)點(diǎn)A處的速度及位移變化曲線(xiàn)。2剖面儀結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化最初OsbornF的垂直剖面儀采用的是圓球狀.但在海試試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)圓球狀的剖面儀在下降過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，從而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。經(jīng)過(guò)諸多研究者的不斷研究、試騷與改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)圓柱體的外形相較于其他形狀具有更好的下降穩(wěn)定性，而且下降過(guò)程中不易傾斜和偏轉(zhuǎn)，所以如今的剖面儀均采用長(zhǎng)圓柱的主體外形。雖然整體的形狀可以確定為長(zhǎng)圓柱形，但局部形狀的不同也會(huì)導(dǎo)致流致振動(dòng)的不同。因此，本文針對(duì)天津大學(xué)研制的第二代長(zhǎng)圓柱體形剖面儀.對(duì)M局部結(jié)構(gòu)（頭部及主體）形狀進(jìn)行優(yōu)化.2.1頭部形狀優(yōu)化天津大學(xué)研制的第二代剖面儀的原始頭部端面設(shè)計(jì)為一平面，如圖2a

14、所示，這種結(jié)構(gòu)易使剖面儀下降過(guò)程中在頭部流場(chǎng)產(chǎn)生邊界層分離，從而增大流致振動(dòng)效應(yīng)。為改善頭部流場(chǎng)悄況，將剖面儀頭部設(shè)計(jì)為半橢球形，如圖2b所示.可以減小頭部末端的邊界層分離.為優(yōu)化頭部橢球形狀.令橢球頭部軸線(xiàn)方向尺寸L在60120mm之間變化，徑向尺寸保持不變（為剖面儀主體宜徑尺寸160mm）,分別建立模型進(jìn)行流致振動(dòng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。（苗驚始頭部形狀（b）m球形頭部圖2剖面儀頭部形狀圖3剖面儀頭部橢球軸向尺寸對(duì)流致振動(dòng)的影響圖3中，左側(cè)縱軸為剖面儀前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的y向加速度，右側(cè)縱軸為剖面儀流致振動(dòng)頻率。由圖3知，剖面儀頭部形狀尺寸對(duì)流致振動(dòng)的頻率影響很小，頻率在0.16Hz左右變化；

15、桶球體頭部軸向尺寸的增大會(huì)使流致振動(dòng)的加速度幅值減小，兩者近似成指數(shù)關(guān)系；當(dāng)軸向尺寸大于80mm（即半球形）時(shí).隨檸尺寸的增大，流致振動(dòng)的減小幅度較小、程度變級(jí)。同時(shí)考慮到安裝傳感器的需求，剖面儀頭部前端曲率不能過(guò)大因此剖面儀前端設(shè)計(jì)成半球形較為合適.2.2主體結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化原始設(shè)計(jì)中，剖面儀前端具有凹階結(jié)構(gòu)如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn).剖面儀下降時(shí)在凹階處會(huì)發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象.如圖4所示。由圖4以看出.凹階處發(fā)生了渦的脫落.并且脫落的渦又會(huì)在后部再次附若.造成后面渦結(jié)構(gòu)的混亂.導(dǎo)致流致振動(dòng)程度的增強(qiáng)。因此，對(duì)有無(wú)凹階結(jié)構(gòu)的剖面儀進(jìn)行流致振動(dòng)對(duì)比計(jì)算，得到加速度的幅值和振動(dòng)頻率，見(jiàn)&1。由表】W以石出.

16、去掉凹階結(jié)構(gòu)使剖面儀的流致振動(dòng)加速度幅值減小r31.17%.明顯減緩流致振動(dòng)幅度.因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡ht避免凹階結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。圖4凹階處渦脫落圖表I有無(wú)凹階對(duì)流致振動(dòng)的影響主體外形加速度幗fiVmm/s：）頓率（Hz）無(wú)凹階2.650.147有凹階3.850.1423剖面儀結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化由上文分析知，剖面儀的最優(yōu)外形結(jié)構(gòu)如圖5所示.頭部為半球形，主體為長(zhǎng)圓柱.而IL無(wú)凹階結(jié)構(gòu)。除外形影響流致振動(dòng)外.剖血儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如長(zhǎng)徑比和重浮心距離）對(duì)流致振動(dòng)也具有取要影響,同樣需要:優(yōu)化以減小剖面儀的流致振動(dòng)。津=4圖5割面儀主體外形示意圖3.1長(zhǎng)徑比按圖5所示外形建立流固糟合計(jì)算模型。設(shè)計(jì)時(shí).當(dāng)剖面儀質(zhì)址確

17、定后.剖面儀的體積也為一定值，因此.計(jì)算中改變長(zhǎng)徑比時(shí)應(yīng)保uE體積不變。令剖面儀長(zhǎng)度L分別為】.72.1m,對(duì)應(yīng)算出剖血儀的住徑D，從而得到剖面儀的K徑比L/D.圖6所示為監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的y向加速度和振動(dòng)頻率隨長(zhǎng)徑比的變化曲線(xiàn)。由圖6知.隨著長(zhǎng)徑比的增大.流致振動(dòng)的頻率越來(lái)越低；削面儀的振動(dòng)加速度幅值與長(zhǎng)徑比成作線(xiàn)性關(guān)系隨齊長(zhǎng)徑比的增大，剖面儀流致振動(dòng)幅值越來(lái)越小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，流致振動(dòng)的頻率，與K徑比成線(xiàn)性關(guān)系.其關(guān)系式可表述為1.59.50.1750.1700.1650.1600.1550.1500.14511.012.5長(zhǎng)徑比與55555432(S.0.14014.0圖6長(zhǎng)&比對(duì)流致振動(dòng)的影響

18、/=-8.14X10-刈+0.2522(1)其中，代表剖面儀的長(zhǎng)徑比。振動(dòng)加速度幅值。隨長(zhǎng)徑比的變化按三次多項(xiàng)式進(jìn)行似合，其關(guān)系式為Q=一0.0262工j+1.1775犬-17.555.+88.72(2)擬合關(guān)系式的R平方值為0.9896,說(shuō)明擬合公式可信。剖面儀下降過(guò)程中，要求振動(dòng)的幅值越小越好，而且振動(dòng)頻率應(yīng)遠(yuǎn)離剖面儀的固有頻率，因此，優(yōu)化模型中選取振動(dòng)加速為優(yōu)化目標(biāo)，以剖面儀的固有頻率為約束條件。優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為min(a)10與115.6Hz(5)求解式(3)和式(5)組成的優(yōu)化模型，得到長(zhǎng)徑比的最優(yōu)解為12。3.2重浮心距離計(jì)算時(shí)保持模型形狀不變，因此浮心位置不變，改變重心位置，

19、使重浮心距離在150450mm之間變化。圖7所示為削面儀流致振動(dòng)加速度和振動(dòng)頻率隨重浮心距離的變化曲線(xiàn)。由圖7可看出，重浮心距離與剖面儀流致振動(dòng)頻率成正比關(guān)系，其關(guān)系式可表述為/=0.376x24-0.0365(6)其中，了2代表重浮心距離。而流致振動(dòng)加速度幅值隨重浮心距離的變化則較為笈雜。本文采用五次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。五次多項(xiàng)式擬合流致振動(dòng)加1.5L，0.08150250350450政浮心距腐ixi/mm圖7重浮心距離對(duì)流致振動(dòng)的贓響速度與剖面儀重浮心距離的關(guān)系式為a=-9708葛+11686工；-4843葛+753.3x1-17.95x2-0.1028(7)擬合關(guān)系式的R平方值為0.9359

20、.說(shuō)明擬合公式可用。實(shí)際中重浮心距離變化的范圍為200400mm。仍然以剖面儀流致振動(dòng)的加速度幅值最小作為優(yōu)化目標(biāo)，以剖面儀的固有頻率作為約束條件，建立優(yōu)化目標(biāo)模型。目標(biāo)函數(shù)為min(a)200mm以400mm(8)約束條件為式(5)。聯(lián)立式(8)和式(5),得到重:浮心距離的最優(yōu)解為322mm。4優(yōu)化效果分析優(yōu)化后的剖面儀結(jié)構(gòu)外形及相關(guān)尺寸如下:剖面儀頭部形狀為半球形，主體為長(zhǎng)圓柱體，無(wú)凹階結(jié)構(gòu).K徑比為12,重浮心距離為322mm。優(yōu)化前剖面儀結(jié)構(gòu)外形及相關(guān)尺寸如下：剖面儀頭部形狀為平面，主體為長(zhǎng)圓柱體，有凹階結(jié)構(gòu)(圖2a),長(zhǎng)徑比為11.重浮心距離為360mm。分別對(duì)優(yōu)化前后的剖面儀進(jìn)行流致振動(dòng)計(jì)算，得到優(yōu)化前后剖面儀流致振動(dòng)加速度幅值分別為3.85mm/s2和2.52mm/s2剖面儀的測(cè)覺(jué)精度主要指剖面儀對(duì)海洋湍流動(dòng)能耗散率的測(cè)量范圍，即測(cè)量下限和測(cè)量匕限。其中剖面儀測(cè)定上限主要由其搭載的剪切流傳感器決定，而測(cè)段下限則主要由剖面儀的流致振動(dòng)決定。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后剖面儀測(cè)量:精度改善情況，可對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后剖面儀的測(cè)量下限進(jìn)行比較。剖面儀的測(cè)杭下限估算公式為j=7.5Z.)，LiuYuhong.WangYanhui,ctal.VibrationSourceAnalysisandVibrat