多模块协同仿真的翼型优化设计研究

风轮叶片是风力机能量转换的关键部件，风力机叶片的性能是风力机输出功率的决定性因素。而风力机叶片的气动性能很大程度上依赖于翼型。就 目前来说，高速风力机所使用的翼型有传统的航空翼型和风力机专用翼型两种。航空翼型不能很好的满足风力机的运行环境，因此-些风电发达国家(丹麦、荷兰、瑞典和美国等)研制了适应风力机工况的风力机专用翼型。由于在风力机专用翼型方面所做的研究有限，再加上风电发达国家对专用翼型参数的保密，使得我国风力机专用翼型的设计水平相对落后。

风力机翼型参数可分为外形参数和气动参数，其外形参数直接决定了翼型的气动性能。而翼型的外形参数与气动性能之间存在着非常强的非线性关系，因此在建立翼型的外形参数与气动参数的函数关系上存在非常大的困难。

针对这个问题，绕开复杂的数学模型，提出了-种多拈协同仿真的优化设计方法。即通过 MAT-LAB及 FLUENT 仿真软件分别对翼型的外形参数及气动参数分别进行计算，然后利用粒子群算法的规则对各拈的计算数据进行整体规划求解。在这个过程中，以VB语言调用各个仿真软件的应用程序编程接口 J，从而实现了翼型优化过程的自动化。

2 基本原理2.1 粒子群算法基本原理粒子群算法 的机理是：先初始化-群随机粒子，然后粒子们就通过自己所知道的最优位置和空间中当前找到的最优位置来搜寻空间中的最优解。假设 d维空间中的第 i个粒子的位置和速度分别为 (Xi，1 啦 )和 V。：(Ui，1 啦 )，在当前和位置和速度下，每进行-次迭代就是进行-次搜索的过程，在进行下-次搜索前，粒子要对各 自和飞行速度进行更新，以便朝着最优解的方向前进，这就需要粒子追随两个极值进行位置更新，-个极值是 pbest，P (Pi，lP P )，即当前单个粒子找到的最优解；另- 个极值是 gbest，P ，即整个种群 目前找到的最优解。当找到这两个最优值后，粒子们在这两个极值的指引下按如下公式更新自己的速度和位置。

Vi，j(t1)091) Jcl r1[Pi，j- u]C2r2[Pg，j- (t)] (1)收稿 日期：2013-05-29作者简介：蔡道涛(1986-)，男，山东济宁人，硕士，研究方向：机械 CAD/CAM及仿真技术。

通讯作者：张桂林(1990-)，男，广东韶关人，在读博士，研究方向：机电在线检测理论与技术。

· 49·研究与分析 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·(1) (1)， 1，2， ，d (2)式中：∞为惯性权重，表征了搜索能力的强弱；c 和C为学习因子(都为正数)，表征粒子的追踪能力；r.和r 分别为0～1之间均匀分布的随机数。

2.2 翼型的参数化基本原理翼型的参数化 是将翼型的几何外形用-系列可变的参数来表达，这样翼型的几何外形就会随这些参数的改变而变化。于是在参数变化的过程中加入翼型的气动参数的计算及评价过程即可对翼型的气动性进行优化，翼型优化结果的优劣撒于参数化方法的选择。目前，翼型的参数化方法主要有 3种：解析函数线性叠加法、多项式拟合法和PARSEC法。其中最常用的是解析函数线性叠加法，该方法的原理是通过原始翼型和选用的型函数的线性叠加来改变翼型的厚度和弯度。线性叠加法的参数化表达为下式：f Y ( ) c ( ) i (3)式中：y 为优化翼型上表面纵坐标；y 为优化翼型下表面纵坐标；y。 ，为原始翼型上表面纵坐标；y。 为原始翼型下表面纵坐标；C 为控制翼型形状的参数 ( )为型函数。

Hicks-Henne型函数参数化方法是-种在翼型优化设计中被广泛使用的参数化方法。Hicks-Henne型函数的基本表达式为下式： ㈩ 式中：z(后)log 0.5/log ，0≤ ≤13 优化设计3.1多软件协同优化设计方法MATLAB是-款优秀的优化设计工具，利 MAT-LAB程序语言能够很好地实现粒子群算法的功能，然而在优化过程中，所求解的翼型的升力系数与阻力系数等参数均为比较复杂的计算流体力学问题，用MATLAB去实现这个过程需要大量复杂的程序设计工作，而且程序设计的求解精度需要进-步检验。针对这个问题，利用FLUENT计算流体力学软件能够很容易地实现翼型气动参数的求解。同时，在 FLUENT求解前还要用到其前处理软件 GAMBIT。因此，如果能够让3个软件能够协同工作，就会大大减少在翼型气动参数求解问题上的工作量并且其求解精度已经得到了充分的检验。

多软件协同的数据交换问题，可以通过VB语言调用 MATLAB、FLUENT及 GAMBIT的应用程序编程接口来实现。其中，对于 FLUENT和GAMBIT只需建立启动其命令流文件的批处理文件(GoFluent.bat和GoGambit.bat)即可。其代码为下。

D Fluent.Inc l ntbinntx86 gambit.exe -inpmesh.jOUD Fluent Inc t ntbin I ntx86 t fluent.exe 2d -solve.jOH3.2 优化设计模型风力机的主要评价指标就是风能利用系数，在攻角和雷诺数不变以的情况下，叶片的风能利用系数是与翼型的升阻比成正比的〃立翼型设计的目标优化函数为下式。

-厂( )max(CI /C ) (5)以式(3)中的型函数系数 c 作为设计变量，即通过 c 的变化来改变翼型的型线，变量个数取 14(即矗： 14)，分别用来扰动翼型型线的头部、中部和尾部。

(cl，c2，，c14) (6)3.3 优化设计实例选取风力机中常用的 NACA4412翼型采用基于粒子群算法的多软件协同优化设计方法进行优化设计。优化设计参数选择为：种群规模 NUM20；最大迭代次数 40；惯性权重 0.5；学习因子 C.c，2；设计变量 C 的初始取值范围(0，0.o1)；粒子初始速度 的取值范围(-0.004，0.004)。运行优化设计程序，得到如图 1、2所示收敛结果。

Lift CanvCrgene自 Hist。ry FLuENT 6 3(D2ede。0b5n，s2.0s-2A)图 l 升力系数随迭代次数变化曲线lteratiOns图 2 升力系数随迭代次数变化曲线优化后得到的设计变量 c 结果：控加博 倚∞∞ ∞· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 研究与分析壤情况下样机所受的冲击更校图 17平地粘土路面tracHink-s2垂直向(Y向)位置图 1 9平地粘土路面 tracklink-S2与链轮接触力图 18平地粘土路面 tracklink-S2与轮系接触力图20平地粘土路面tracklinks2与地面接触力4 结 论通过以上仿真可知，对于文中质量为 226.8 kg的复合式越障机器人来说，其在参数-定的硬质路面上匀速稳定行驶所需要的扭矩为 15～20 N·m，在以粘土为例的软性路面上匀速稳定行驶所需的扭矩为80 N·m左右。但得到的这些参数都是建立在已有模型结构参数的基础上，所以适当调整结构，改变重心位置，可提高各履带系统驱动能量的利用率，降低机器人在软性路面的不均匀沉陷，是下-步改善设计所应该考虑的。