优化设计范文

优化设计范文第1篇

关键词：平面控制网，优化设计，控制网的质量，数据处理

测量工作的优化问题研究始于1868 年德国，但在此后相当长的一段时间内，由于受到计算工具的限制等原因，这一问题没有得到进一步研究，直到20 世纪60 年代，随着最优化理论与方法的发展和子计算机的应用，测量控制网的优化设计问题，才得到国内外广大测绘工作者的关注。近30年来，由于科学技术发展的需要，实践中许多最优化问题已无法用古典方法来解决，因此，许多新的最优化技术应运而生，为解决各种优化设计问题提供了有效的方法。目前最优化设计己普遍应用于国民经济的各个领域，如生产管理、运输调度、服务系统、信息系统等等。

1控制网的布设原则

（1）分级布网、逐级控制

对于工程测量控制网，通常先布设精度要求最高的首级控制网，随后根据测图需要，测区面积的大小再加密若干级较低精度的控制网。用于工程建筑物放样的专用控制网，往往分二级布设。第一级作总体控制，第二级直接为建筑物放样而布设；用于变形观测或其它专门用途的控制网，通常无须分级。

（2）要有足够的精度

以工程测量控制网为例，一般要求最低一级控制网（四等网）的点位中误差能满足大比例尺1：500的测图要求。按图上0.lmm的绘制精度计算，这相当于地面上的点位精度为0.1×500=5（cm）。对于国家控制网而言，尽管观测精度很高，但由于边长比工程测量控制网长得多，待定点与起始点相距较远，因而点位中误差远大于工程测量控制网。

（3）要有足够的密度

不论是工程测量控制网或专用控制网，都要求在测区内有足够多的控制点。如前所述，控制点的密度通常是用边长来表示的。《城市测量规范》中对于城市三角网平均边长的规定列于表2.1中。

2布设方案

现以《城市测量规范》为例，将其中三角网的主要技术要求列于表2-3，电磁波测距导线的主要技术要求列于表2-1。从这些表中可以看出，工程测量三角网具有如下的特点：

①各等级三角网平均边长较相应等级的国家网边长显著地缩短；

②三角网的等级较多；

③各等级控制网均可作为测区的首级控制。这是因为工程测量服务对象非常广泛，测区面积大的可达几千平方公里（例如大城市的控制网），小的只有几公顷（例如工厂的建厂测量），根据测区面积的大小，各个等级控制网均可作为测区的首级控制；

④三、四等三角网起算边相对中误差，按首级网和加密网分别对待。对独立的首级三角网而言，起算边由电磁波测距求得，因此起算边的精度以电磁波测距所能达到的精度来考虑。对加密网而言，则要求上一级网最弱边的精度应能作为下一级网的起算边，这样有利于分级布网、逐级控制，而且也有利于采用测区内已有的国家网或其它单位已建成的控制网作为起算数据。以上这些特点主要是考虑到工程测量控制网应满足最大比例尺1：500测图的要求而提出的。

3控制网优化理论和方法

网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计，即涉及到网的基准设计、网形、观测值精度以及观测方案的设计。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。一般将网的质量指针作为目标函数或约束条件。网的质量指针主要有精度、可靠性和建网费用。模拟法优化设计的软件功能和进行优化设计的步骤主要是： 根据设计数据和地图数据在图上选点布网，获取网点近似坐标，模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，进一步模拟观测值，计算网的各种质量指针： 如精度、可靠性、灵敏度。将计算出的各项质量指针与设计要求的指标比较，使之既满足设计要求，又不致于有太大的富余。通过改变观测值的精度或改变观测方案（ 增加或减少观测值） 或局部改变网形（ 增加或减少网点） 等方法重新做上述设计计算，直到获取较好的结果。

3.1 解析法设计

解析法设计是将各种设计标准（ 精度标准、费用标准、可靠性等） 以数学方式表达为目标函数和若干约束条件，然后解出使目标函数值为极值的设计参数，得到最优设计。即先建立设计问题的数学模型，然后用一种适当的算法，求出最优解。现以网形优化设计中怎样确定网点的最优位置为例，来说明解析法设计的思想。

3.2 机助法设计

机助法设计又称模拟法设计，对于初步确定的网形与观测精度，模拟一组起始数据与观测值输入计算机，按间接平差原理与计算方法，组成观测值方程式、法方程式、求逆而得到未知数的协因子阵，计算未知参数及其函数的精度，估算成本，或进一步计算观测值的可靠性，敏感度等信息； 与预定的精度要求，成本约束，可靠性约束相比较； 根据计算所提供的信息与设计者的经验，对控制网的基准、网型、观测精度等进行修正，然后重复上述计算，必要时再进行修正，直到获得符合各项设计要求的较理想的设计方案。

机助法设计优点是设计的计算简单，设计程序易于编制，且优化过程可利用作业人员已有的经验随时进行人工干预。计算结果可用计算机或绘图仪输出和显示，进行人机对话，使设计过程达到高效率，使用灵活。其缺点是较费机时，计算量较大，所得结果，相对解析法而言，在严格的数学意义上可能并非最优解，但从实用角度来说，机助法设计具有更大优越性。

机助法设计适用于除零类设计之外的各类设计。

4控制网优化设计的四要素

根据最优化理论与实用的要求，一个最优化的控制网，必须满足以下四要素：

① 精确性。控制网中各元素达到或高于预定的精度，如相对于基准的绝对精度，点位之间的相对精度，以及边长和方位角的精度等。

②可靠性。控制网中具有一定数量的多余观测，使网形结构构成坚强的几何图形，具有较高的自检校功能，以避免粗差的出现和影响。

③经济性。用最少时间、人力和物力实现对控制网精确性和可靠性的要求，所设计的控制网有最好的经济效益。

④可检测性。对变形观测网而言，提出了应具有检测变形量大小的能力，即检测的灵敏度要高。使控制网在重复观测中能以比较高的显著性进行各种假设检测。

测量控制网优化设计的研究不会停顿，它必然会随着科技的发展而发展，测绘科技人员应该为促进这种发展而努力。在测绘技术，仪器不断更新的同时，测量控制网优化设计的内容不断丰富。

参考文献

[1]黄明华.平面控制网优化设计方法探讨[J].西部探矿工程.2005（1）

[2]王建敏，石金峰等. GPS控制网的优化设计[J]. 辽宁工程技术大学学报.2006，25增刊：97-99.

优化设计范文第2篇

关键词 轻卡 货箱 设计

中图分类号：U469.2 文献标识码：A

轻卡是载类货车的一种类型，根据车型分类，卡车的最大涉及总质量必须要小于3.5吨，近年来，随着计算流体力学的广泛应用，为轻卡货箱优化设计提供了重要依据。本文以计算流体力学为基础，建立模型并研究其外部流场结构，最终采用混合整型优化法对轻卡货箱进行了外形优化设计，具体探究了轻卡货箱与轻卡驾驶室之间的间隙，车厢高出驾驶室的高度，在满足轻卡制造要求的前提下，使得汽车空气阻力最小，提升了轻卡货箱的设计水平和质量，推动我国载货车的设计和制造水平不断提升。

1模型建立

文中对轻卡货箱模型进行建立时，采用的是CATIA软件建立三维 CAD模型，以较少的成本，将车身结构进行简化，并且最终要保证计算的结果正确、可靠。因此，在模型设计和建立中，要设置好具体的计算参数，当汽车以每小时80公里的速度行驶时，在正前方的气流作用下，要保证汽车的前脸、车轴正面、车轮以及车厢高出驾驶室的部分形成一种正压区，这就形成了汽车在正常行驶过程中的空气阻力，此外，研究汽车在行驶中的气动阻力，由汽车前脸的过渡区和前挡风玻璃到车顶的过渡区，当出现流速过大时，在过度区就产生了在附着和气流分离，总体来说，影响轻卡车厢设计主要是车厢高出驾驶室的高度和车厢与驾驶室的距离，只有设计好这两大方面，才能最大程度减少空气阻力和气动阻力，此外，在设置好相关参数后，还要建立响应面模型，基于响应面法的作用下，通过近似构造一个能够明确表达形式的多项式，在对多个变量影响因素进行综合分析和研究后，最终达到优化设计的目的，提高轻卡货箱设计的科学性和安全性。

2样本设计

为了提高轻卡货箱样本设计的有效性，在设计过程中必须要选择好目标函数，确定出试验因子和目标函数之后，采集到所需要的样本数据，以此来建立应面模型。设计人员具体选择一种快速、经济且高效的试验设计方法，文中具体采用拉丁超立方设计，这种设计方法的优越性表现在：对水平值分级宽松，有效的空间填充能力，减少了试验的次数。根据拉丁超立方设计得到设计变量后，需要对设计好的模型进行修改和完善。设计人员依据迭代计算进一步优化设计结果，当轻卡货箱的高度越小时，其设计越合理，此外，针对货箱和轻卡驾驶室之间的距离，一般要保持一定的间隙，提高样本设计的合理性。

3优化设计结果

根据上述设计参数值和设计模型，修改和完善轻卡货箱的高度和货箱与驾驶室之间的距离，当货箱的高度降低时，气流流动不会被阻碍，气流一般通过货箱的上方顺利流过，这样就大大降低了空气的阻力，且不会产生二次分离，另外，在研究货箱与轻卡驾驶室之间的距离时，由于驾驶室的形状是上窄下宽，这时候在设计时要将两侧气流流到货箱，且之间要存在一个过度区域，其目的是轻卡货车在正常行驶中，减少空气的阻力，确保气流顺利通过。总之，在对轻卡货箱进行优化并设计时，重点把握好轻卡货箱与轻卡驾驶室之间的间隙和车厢高出驾驶室的高度。使得汽车空气阻力最小。

4结语

综上所述，为了提高整车空气动力学性能，优化CFD效率，因此，探究、分析轻卡货箱优化设计具有十分重要的意义。笔者通过自身多年实践工作经验，以及自身对货车设计要求的了解，提出从模型建立，样本设计及优化设计结果具体进行，通过分析轻卡外流场特性和汽车在正常行驶下的气动阻力，最终研究结果表明：轻卡货箱的高度越小其设计越合理，设计人员在设计轻卡货箱时，在满足使用要求的前提下，可以尽可能的降低其高度，此外，可以适当加大货箱与驾驶室之间的距离，确保气流能够顺利流过，将二者之间的距离看作过度区域，以合适的间隙来减少空气的阻力，希望通过本文的介绍和分析能够进一步提升轻卡货箱设计的合理性和科学性，不断提升我国载货车型设计和制造水平。

参考文献

[1] 程华扬，张代胜，薛铁龙.轻卡外流场数值模拟及货箱优化设计[J].汽车科技，2014（03）.

[2] 张炳力，薛铁龙，柴梦达.轻卡外流场数值模拟及附加井字形格栅优化设计[J].合肥工业大学学报，2014（12）.

[3] 史朝军，张胜兰.自卸车货箱多学科优化设计[J].湖北汽车工业学院学报，2013（03）.

[4] 童波，邵庆贤，王双龙.结构优化和新材料技术对商用车轻量化的影响[J].汽车零部件，2015（04）.

优化设计范文第3篇

关键词:输水渡槽;优化设计;

渡槽是跨越山谷、洼地、河流、道路、等的架空输水建筑物,由槽身、支架、支座等组成的输水系统,是渠系建筑物中应用最广的交叉建筑物之一。在保证渡槽设计的合理性、实用性、经济性和安全性的前提下,减少人力、物力和财力去进行渡槽的设计,寻求一种经济合理、使用方便、高效的渡槽优化设计方法,具有显著的经济效益。

1模型的建立

1.1建模思路

输水渡槽常用的断面形式有矩形、梯形、弧形底梯形、弧形坡脚梯形和U形等,断面的选择主要依据当地工程习惯和经验。通常所说的渡槽水力最佳断面指在流量一定时,过水断面面积最小、湿周最短的断面形式,这样能节省用料和用工,减少沿程水头损失。满足水力最佳断面设计的渡槽断面往往是窄深式的,虽然工程量小,但不便于施工及维护,不能达到经济的目的。实际上工程“最佳”应该从经济、技术和管理等方面进行综合考虑,因此应求一个宽浅的断面,使其水深和底宽有一个较广的选择范围,以适应各种情况,而在此范围内又能基本上满足水力最佳断面的要求,即采用实用经济断面。

笔者从优化设计渡槽槽身形状入手,分析影响渡槽施工总投资的因素,以渡槽建设的总投资最小为目标函数建立模型。

1.2目标函数的确定

在满足各项设计要求(约束条件)的前提下,使其投资费用最小:

式中:Z为总投资额; Z1为渡槽槽体投资; Z2为施工准备费用。

由于施工准备费用(如施工预备费、地基处理费等)对某一工程投资来说变化不大,因此重点研究在渡槽设计流量Q、渡槽糙率系数n、渡槽纵比降i一定时,渡槽槽身断面的优化比选设计。

2常用渡槽断面设计

2.1水力计算基本公式

过水断面面积、湿周等都是渡槽断面几何尺寸的参数。

式中: v为流速,m /s;Q为渡槽设计流量,m3/s;R为水力半径,m; i为渡槽纵比降;A为渡槽过水断面面积,m2;n为渡槽糙率系数; c为谢才系数。

实用经济断面和水力最佳断面之间的关系为

式中:R1、A1、χ1分别为实用经济断面的水力半径、过水断面面积、湿周;R0、A0、χ0分别为水力最佳断面的水力半径、过水断面面积、湿周;α为水力最佳断面与实用经济断面的过水断面面积之比。

2.2梯形断面设计

梯形渡槽断面见图1(a),其水力最佳断面主要水力参数之间的关系 如下:

式中:h0为水力最佳断面的水深,m; b0为水力最佳断面的底宽,m;m为边坡系数。

梯形渡槽的实用经济断面主要水力参数之间的关系如下:

式中:k为过水断面面积系数;k′为湿周系数。

当m =0时,梯形断面转化为矩形断面。

2.3U形断面设计

U形渡槽断面见图1(b),其处于水力最佳断面时水面线刚好通过圆心。U形渡槽水力最佳断面主要水力参数之间的关系如下:

式中:θ为圆心角,rad;m为上部直线段的边坡系数,m =cotθ。

U形渡槽的实用经济断面主要水力参数之间关系同式(10)和式(11)。当m =0时,U形断面转化为底部为半圆形的U形断面。

3差分进化法确定渡槽相关参数

为了满足实用经济断面的要求,使水深和相应的底宽有一定选择范围,底宽不宜太宽,水深不宜太深,α一般取值为1.01～1.04,取α=1.02。取不同的边坡m时,梯形和U形渡槽实用经济断面的过水断面面积A1和湿周χ1的变化情况利用matlab软件计算,根据计算结果绘制过水断面面积系数k、湿周系数k′与边坡系数m的关系,分别见图2、图3。

由图2和图3可知:m从0变化到1时,梯形断面的过水断面面积和湿周都有一极限值点,m经过加权取值,当m为0•553 8时,对应的过水断面面积和湿周分别为

A1= 1.654 6

X1=3.524 6

m从0变化到1时,U形断面的过水断面面积和湿周的值都呈单调上升,其边际值变化不同。当边坡系数m从0变化到0.25时,A1和χ1的增长率最小。常用实用经济断面A1和χ1优化排序见表1。从表1可以看出,当Q、n、i一定时,U形断面A1和χ1的最大值比梯形断面的最小值还要小,由此说明U形断面比梯形断面实用。矩形渡槽实用经济断面和底部为半圆形的U形断面的过水断面面积相差8.34%,湿周相差22.19%,因此底部为半圆形的U形断面为渡槽设计的最优断面。

4结语

在满足过流量以及安全性等基本要求下,通过对渡槽断面形式的优化分析,表明底部为半圆形的U形渡槽经济实用断面能有效地减小截面尺寸,节约材料使用量,又能减少沿程水头损失。

优化设计范文第4篇

关键词：ANSYS参数化语言 APDL 钢结构 优化设计

中图分类号：TU3 文献标识码：A

1.引言

结构优化设计理论已有近四十年的发展历史,目前在一些重要的结构(如飞机结构)上已经得到了应用,这也引起了土木和建筑工程界人士的广泛关注,寻求建筑结构优化设计的理论、方法一直在紧张有序的进行当中。由于传统的优化方法,例如准则法、数学规划法以及两者的结合(即所谓的混合法)等静态优化方法都是基于代数方程模型的;最优控制理论中的动态规划优化方法是基于微分方程或差分方程模型的。而这些传统数学模型的描述能力和求解方法有相当的局限性,使得最优化理论和方法在实际应用中受到了很大的限制,存在着局部最优解、维数灾难、不确定性等问题,这些困难需要寻求新的优化设计方法,才能得到最终解决。

随着有限元理论的迅猛发展和日趋成熟,特别是计算机技术的广泛应用,基于ANSYS参数化设计语言APDL的结构优化设计越来越体现出它强大的生命力,这无疑给建筑结构的优化设计注入了新的活力。

ANSYS是一种运用广泛的通用有限元分析软件,其有限元分析过程主要包括:建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析3个步骤。对于某一有限元模型来说,当分析结果表明需要修改设计时,就必须修改有限元模型的几何尺寸或改变载荷状况,建立新的有限元模型,然后再重复以上分析过程。这种/设计)分析)修改设计)再分析)再修改0的过程,在有限元分析中存在着大量的重复性工作,将直接影响设计的效率。而运用ANSYS提供的参数化设计语言(APDL),通过结构设计参数的调整,则可以自动完成上述循环功能,进行优化设计,从而大大减少修改模型和重新分析所花的时间。

2.结构优化设计的基本理论

2.1结构优化设计概念

假定分析搜索最优设计一般被归纳为结构优化分析过程的流程。而这其中优化分析的核心部分为搜索过程。在包括满足各种给定条件的前提下，是否达到最优是结构优化设计最先对设计方案进行的判断。如果没能达到，但又为了使得预定的最优指标能逐步达到，就需要遵循某一设定的规则进行修改。而以数学规划为基础，进行数学模型建立，并对计算方法进行选择，使得工程结构设计问题转化为数学问题，然后在多种可行性设计中运用计算机选择出相对属于最优设计的方案，这也正是结构优化设计的主要任务。

2.2结构优化设计的数学模型

设计变量、目标函数和约束条件是结构优化设计的主要要素：。其数学模型的一般表达式为

求设计变量

使目标函数

满足约束条件

3.基于APDL的钢结构优化设计

3.1APDL语言简介和使用

APDL是指ANSYS 参数化设计语言，是使得某些功能或建模可以自动完成的脚本语言之一。它提供如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ANSYS 有限元数据库等一般程序语言的功能，同时其可以实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等，因此它也提供简单界面定制功能。为了扩展了传统有限元分析范围以外的能力，它可以根据指定的函数、变量设定程序的输入，同时选它使用户对任何设计和分析属性有控制权，也就是说其为了为用户提供了自动完成繁琐循环的功能而运用了建立智能分析的手段，从而为优化设计运行繁琐的迭代提供了可能和高效率，具体为参数、函数、分支与循环、重复、宏等功能。

3.2优化基本原理

优化方法采用复形法。复形法优化是一个运用较多且较为成熟的非线性数学规划方法，其基本思路来源于无约束优化算法的单纯形法。而无约束优化算法的单纯形法就是复合形法的基本思路的来源。

3.3优化设计流程

为了将有限元法与优化方法结合起来，可以采用基于APDL语言的ANSYS优化设计模块（OPT）来实现。基本流程图如图1所示。

图1ANSYS软件优化设计程序流程图

3.4APDL优化程序关键技术

首先建立钢框架结构参数化有限模型。参数是指APDL中的变量与数组。参数化模型的建立，便于模型的修改，也便于设置优化设计变量。

其次建立钢框架结构优化设计模型。下面是部分优化命令：

/POST1！进入后处理器

*GET,V,SSUM,,ITEM,EVOL！提取结构体积，赋予参数V

……

/OPT！进入优化设计器

OPANL,1.LGW!指定分析文件

OPVAR,W1,DV,.1,.4!定义设计变量

OPVAR,TW1,DV,0.005,0.02

OPVAR,TY1,DV,0.005,0.02

……

OPVAR,MS1,SV,0,225750!定义状态变量

OPVAR,SS1,SV,0,125000

……

OPVAR,V,OBJ,,,.01!定义目标函数

OPKEEP,ON!要求保留最优设计序列时的数据库和结果文件

OPTYPE,SUBP!使用零阶方法

OPFRST,40!最大40次迭代

OPEXE!运行优化

4.优化设计实例分析

本文以单跨单层钢框架结构厂房为例，跨度为 12m，层高为4.5m，框架梁、柱均采用焊接H 型钢截面且翼缘采用焰切边，材质均为Q235 钢。为简便起见，取恒荷载为0.5kN/m2，活荷载为2.0kN/m2。通过APDL 优化程序，得出用钢量约为18.2kg/m2。优化前后的结果对比分析见表1。

表1 优化前后结果分析

5.结语

本文首先论述了进行钢框架结构优化研究的意义，介绍了优化算法（复形法）和ANSYS 中的APDL语言。并通过与实际工程相结合，并分别采用复形法和有限元软件ANSYS优化模块，同时以最低化用为优化的目的，使一平面钢结构的梁柱截面尺寸得到优化并进行相应的分析。通过理论分析与结果的分析比较，证实了该优化方法是可行的，不仅能明显降低工程造价，促进钢结构的普及和推广。而由设计实例可知，基于ANSYS 的二次开发语言APDL 语言建立的钢结构优化设计模块操作方便，优化程序可自定义优化过程和控制性变量，适应了不同的结构类型和荷载组合，具有很强的灵活性。本文的优化设计思想，可以推广到其它结构形式，可对其它类型结构优化起到借鉴作用。

参考文献：

[1] 王富强,芮执元,魏兴春.基于APDL语言的结构优化设计[J]. 科学技术与工程. 2006(21)

[2] 赵霞,邰英楼.基于ANSYS的结构设计优化[J]. 辽宁工程技术大学学报. 2006(S2)

[3] 陈珂,张茂.基于ANSYS的参数化设计与分析方法[J]. 机械工程师. 2007(01)

[4] 王学文,杨兆建,段雷.ANSYS优化设计若干问题探讨[J]. 塑性工程学报. 2007(06)

[5] 刘丽贤,马国鹭,赵登峰.基于APDL的ANSYS网格划分及应用[J]. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2008(05)

优化设计范文第5篇

关键词：排汽缸；静压恢复；优化设计；数值模拟

中图分类号：TK474.7

文献标志码：A

文章编号：0253-987X（2015）03-0019-06

冷凝式汽轮机排汽缸的主要功能是将低压末级出口的蒸汽动能转化为压力能，在凝汽器真空度给定的条件下，可降低末级出口截面处的静压，增加末级的出力，提高汽轮机机组的热效率。大功率汽轮机低压缸末级出口平均绝对马赫数为0.5～0.8，其排汽动能约占机组总焓降的1.5%，如果能有效地回收、利用这部分能量，可以使机组的热效率提高约1%。因此，高性能排汽缸设计是提高汽轮机能量转换效率的重要技术手段。

图1给出了典型的大功率汽轮机低压缸三维结构图。静压恢复主要在排汽缸的扩压器导流环中完成，还有一部分在排汽缸的蜗壳中完成。蒸汽在该结构的排汽缸内流动是先轴向再径向流向凝汽器。科研人员采用实验测量和数值模拟等方法研究了排汽缸内的三维流动形态和损失产生机理。

随着优化设计方法和计算机技术的进步，提高排汽缸静压恢复系数的优化设计得到了发展。陈川等采用正交试验设计、二次多项式响应面近似评价方法和二次规划的组合优化策略对排汽缸进行了优化设计，以提高排汽缸的静压恢复能力。Wang等采用改进的Kriging和小生境微种群遗传算法对模型排汽缸导流环进行了优化设计。Yoon等应用Alstom公司的EDS（in-house exhaust design system）对排汽缸扩压器进行了设计，优化设计中考虑了末级叶片和排汽缸耦合的三维气动性能。Mizumi等研发了末级叶片和扩压器耦合设计方法。Verstraete等采用计算流体动力学（CFD）、排汽缸扩压器型线参数化和遗传算法优化设计了排汽缸扩压器导流环的型线，分析了优化后排汽缸在设计工况和变工况下的气动性能。

排汽缸的三维优化设计中往往没有考虑低压末级与排汽缸的相互影响。因此，本文采用了拉丁立方试验设计、三阶响应面近似模型、Hooke-Jeeves直接搜索算法的组合优化策略对排汽缸外导流环进行了非轴对称优化设计。采用耦合低压末级与排汽缸整体结构对优化设计结果进行了详细的数值验证，以证明排汽缸优化设计的有效性和耦合低压末级对排汽缸气动性能分析的必要性。

1低压排汽缸优化设计系统

图2给出了排汽缸优化设计流程。首先采用拉丁立方试验设计对设计空间进行取样，再由CFD求解样本点得到目标变量值后建立初始的三阶响应面近似模型，之后用Hooke-Jeeves直接搜索算法搜索出最优近似解，并用CFD对搜索出的最优近似解进行校核。当CFD计算得出的结果与优化算法得出的最优近似解的相对误差小于等于1.0%时，即可认为优化收敛。若误差较大，则将CFD计算值放入初始样本库中更新响应面近似模型，重新搜索，如此迭代，直到优化收敛为止。图2排汽缸设计系统是建立在iSight软件平台上的。排汽缸导流环三阶贝齐尔曲线参数化方法是自编程序通过iSight设计变量接口进行调用的，排汽缸静压恢复系数的CFD评价方法是调用ANSYS-CFX软件进行的。拉丁立方试验设计和三阶响应面近似模型是基于iSight软件平台建立的，Hooke-Jeeves直接搜索算法的搜索方法是采用iSight软件提供的优化方法。

1.1气动性能评价

图3给出了排汽缸的计算模型及单独排汽缸计算时的边界设置。优化的主要几何结构为扩压器外导流环，优化时的进汽条件为单独排汽缸均匀进汽的条件。Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）方程采用CFD软件ANSYS-CFX求解，湍流模型采用Scalable壁面函数的标准k-ε模型，对流项采用二阶精度格式，工质为平衡态湿蒸汽。

图4给出了单独排汽缸初始静压恢复系数随网格数的变化。由图4可知，当网格数达到231万时，静压恢复系数已基本达到网格无关解。所以，最终确定的计算网格数为231万。静压恢复系数

1.2参数化方法

图5给出了排汽缸外导流环控制点及其变化区域。外导流环曲线为三阶贝齐尔曲线，由4个控制点P1、P2、P3、P4控制。考虑到扩压器进口保持不变，P1固定不动，P4坐标用扩压器出口宽度D及出口高度H控制。为了更好地控制H及D的变化，令h4=H/L，d4=D/L，L为扩压器进口高度，P4最终由参数h4及d4控制。P2、P3的变化范围由多边形P1Pc2Pc3P4控制，即由区域A决定；P2、P3可在区域A内任意变化，但P3的y坐标必须大于等于P2的y坐标；Pc2的y坐标与P1相同，Pc2的x坐标为P1的x坐标加上2900mm，这一范围已足够大；Pc3的x坐标与Pc2相同，Pc3的y坐标与P4相同。

对外导流环的非轴对称优化分为2个步骤：①轴对称优化设计，由此得到轴对称最优外导流环；②非轴对称优化设计。图6给出了非轴对称外导流环造型方法，其中包括曲面1～3，曲线1～3。曲面2为轴对称优化时得到的最优型面，非轴对称优化时曲面2保持不变；曲线1～3为曲面3的控制曲线，曲线3的控制参数固定，与曲面2的控制曲线相同；曲线1、2为三阶贝齐尔曲线，控制方法如图5所示，曲线1、2的控制变量相同，变化规律相同。曲面1由曲线1绕转子转轴旋转一定角度后得到，且随着曲线1的变化而变化（曲面1并不是外导流环壁面的一部分，它的作用主要是对曲面3进行约束）。曲面3与曲面1、2的相交处为一阶导数连续。曲面2、3组成外导流环曲面。以上造型在三维造型软件UG中完成。

2优化结果与验证

静压恢复系数是衡量排汽缸气动性能的重要指标，可作为排汽缸的优化设计中的优化目标变量。

首先对外导流环进行轴对称优化设计，优化时选用了40个样本点构建初始化的响应面模型（RSM），然后对响应面模型最优解进行14次CFD校核，CFD计算值与响应面模型最优解的最终相对误差为0.266%。图7a为轴对称优化时响应面模型与CFD校核值的收敛曲线。在得到轴对称最优外导流环后按图6方法进行非轴对称优化设计，优化时选用了40个样本点构建初始化的响应面模型，然后对响应面模型最优解进行8次CFD校核，CFD计算值与响应面模型最优解的最终相对误差为0.75%。图7b为非轴对称优化时响应面模型与CFD校核值的收敛曲线。

图8给出了优化前、后中分面处外导流环上、下型线的几何参数对比。图9给出了优化前、后外导流环的三维结构对比。由图9可知：优化后，外导流环的起始扩散角明显减小，在大部分周向范围内出口宽度减小，在下半部小部分区域内出口宽度略有增大；优化后的扩压器流道有所增大。

图10给出了耦合末级整圈与动叶叶顶汽封的边界条件设置及各计算域网格示意。表1给出了各计算域网格数。表2给出了单独排汽缸及耦合末级整圈与动叶叶顶汽封2种模型的进、出口边界条件设置。

表3给出了优化前、后2种计算模型下排汽缸的静压恢复系数。由表3可知：优化后排汽缸的静压恢复系数得到了显著提高；单独排汽缸优化后，静压恢复系数相对提高了72.78%；耦合末级整圈与动叶叶顶汽封后，静压恢复系数相对提高了61.1%。

对于耦合末级整圈及动叶叶顶汽封，排汽缸静压恢复系数有所下降，主要原因是单独排汽缸的进汽条件是周向均匀的，耦合末级整圈与动叶叶顶汽封后进汽条件有所改变，从而导致缸内流场发生变化。图11给出了优化后单独排汽缸及耦合末级整圈与动叶叶顶汽封的截面位置示意。图12给出了优化后单独排汽缸及耦合末级整圈与动叶叶顶汽封的截面1的二维流线图。对于耦合末级整圈与动叶叶顶汽封，旋涡1明显增大，从而导致耦合末级整圈与叶顶汽封的排汽缸静压恢复系数略有下降。因此，在进行排汽缸的优化设计时应当尽量采用接近真实的进汽条件。

图13、14给出了耦合末级与动叶叶顶汽封优化前、后截面1和截面2的静压系数分布。该静压系数静压系数越大，表明静压越大，静压恢复越好。由图13、14可知，尽管优化前、后扩压器流道内的静压系数差别不大，但优化后排汽缸涡壳内的静压系数提高，表明优化后蜗壳内的流动得到了明显的改善，静压损失明显减小。

3结论

本文采用拉丁立方试验设计、三阶响应面近似模型和Hooke-Jeeves直接搜索算法的组合优化策略，对排汽缸扩压器外导流环进行了非轴对称优化设计，得到如下结论。

（1）非轴对称优化后，静压恢复系数得到了显著提高，单独排汽缸优化后，静压恢复系数由0.158提高到0.273，相对提高了72.78%；耦合末级整圈与动叶叶顶汽封后，静压恢复系数由0.149提高到0.24，相对提高61.1%，表明优化系统是有效的。

（2）耦合末级整圈与动叶叶顶汽封的静压恢复系数略有下降，表明优化时应当尽可能采用接近真实的进汽条件。

优化设计范文第6篇

关键词：幕墙工程，投标；优化设计

中图分类号：TU723.2文献标识码： A 文章编号：

建筑幕墙作为一个新兴的行业，近年来逐渐被社会认可，并在建筑外装饰工程当中得到广泛的应用。

在我国现阶段，幕墙的招标方式，大都采用技术分与商务分总评的综合评标法。作为招标方，大多数对低报价感兴趣。而投标单位为了中标，必然会权衡技术竞争力与价格竞争力的因素。在日益建筑幕墙造价的压力和经济因素作为首要考虑因素下，为了提高投标的竞争力，以低价打动业主的同时也要保证项目获得较好的建筑效果。因此，要求我们设计师构思一种构造简明、性能卓越、价格合理、易于加工、方便安装的设计。从整体来考虑，设计师不但要权衡各项参数，考虑设计目标、各项构件的作用、经济因素等的影响，还要考虑施工安装的分项过程、工序分解和降低成本的各组因素。而最终与这些因素挂钩的是工程项目造价。

工程项目造价的控制应贯穿于项目建设的全过程，它是建筑产品的总造价，是反映建筑产品的经济效益、社会效益非常重要的综合指标。而在初步设计阶段影响的可能性约50％-80％，由此可知，项目投资的关键在于施工前的决策和设计阶段，而项目决策后控制项目投资就在于设计控制。

通常情况下我们把设计阶段为两个阶段，即初步设计（包括技术设计）阶段和施工图设计阶段。初步设计阶段是控制基本建设投资规模和工程造价的最主要环节之一。现在就建筑幕墙工程设计阶段的优化设计以及成本控制方面谈谈自己的一些心得与见解。

现阶段，大部分的大型幕墙工程项目业主方都会请顾问公司来进行招标图设计。作为投标方，主要的任务是对招标文件和招标图的理解、响应应及报价，最终能否报出一个具有竞争力的报价，其中优化设计尤为重要。所以优化设计是技术设计阶段成本控制的有效办法，也是投标过程中重要的环节。

优化设计，牵涉到的环节很多，其中主要体现在以下几方面：

一、对项目的理解和定位，

二、与业主及设计院的密切沟通，

三、系统构造优化以及优化细节的把握，

四、对相关材料的认识与应用等等……，

个人认为，只要做好以上几个方面工作，作为投标方，是能做出一个价廉物美、富有竞争力的报价。

一、对项目的理解和定位

对投标的建设项目定位要准确。在制定优化设计方案前我们应当充分与业主沟通，在业主允许的条件下，根据该建设项目的功能、建筑档次及业主的经济实力策划出一套行之有效的优化设计方案。它主要包括幕墙工程的种类、结构形式、不同材料组合及材料品牌档次。

我们知道，建筑幕墙工程结构形式和材料种类较多，如单元式、框架式，全隐框幕墙、半隐框幕墙、明框幕墙、全玻璃幕墙、点支式玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙等，这些因素直接影响工程的外装饰形象和工程总造价。在对工程定位时，我们应避免一味追求高档次结构和材料，致使工程造价超出业主工程概算，无法做出一套合理的报价。同时又要避免采用落后结构降低工程档次，从而影响工程形象，因此应该因工程而宜准确地将其定位在适当合理的档次上。通过对项目的理解和定位，投标方的投标成果业主可能更易于接受，从而提高投标的中标率。

二、与业主及设计院密切沟通

在方案设计中我们应当科学合理的尊重建筑师的设计。但在方案优化设计过程中，我们经常发现原建筑设计要求与现行建筑幕墙行业规范不符，又或者原建筑设计存在很多不合理和严重浪费的情况。这时，我们应当以幕墙专业设计的角度及时准确地与业主和设计院沟通，使他们更深刻地了解我们的技术能力和水平，也让业主感觉到我们是站在他们的立场为他们解决问题，降低成本。同时，对于一些可改可不改但又影响成本的设计，我们应该及时与业主和设计院沟通，说明其利害关系，一来取得了业主的信任，二来可以有效减低投标造价，为方案优化设计和中标打下良好的基础。

三、系统构造优化以及优化细节的把握

在对项目有准确的理解和定位，与业主及设计院有良好沟通的前提基础上，接下来就是很关键的一个环节----系统构造优化以及优化细节的把握。首先，在优化工作进行之前，我们先要明确可优化的范围和项目。这个要求我们的设计师要熟读招标文件、技术文件以及相关的答疑文件。一般来说，完善成熟的招标项目都会有统一的优化框架和平台。因此，项目投标能否报出富有竞争力的报价，就要求我们设计师对系统构造优化以及优化细节有很好的把握。

系统构造优化，以国外一些大型幕墙顾问公司出的招标图纸为例，他们的要求基本都是在不改变原有设计方案的前提下进行深化设计报价的。对于类似的幕墙设计顾问，我们在优化设计的时候就要做到胆大心细。首先，无可否认，他们的设计方案经过多年的沉淀和实例工程验证是成熟的。根据多年来和顾问打交道的经验，设计师如果在投标的过程中改变了他们的设计方案，接下来一般会遇到不少麻烦，最后基本还得改回他们的设计方案。

因此，我们在投标优化设计的时候，精力尽量不要放在修改他们的设计方案上面。当然，如果顾问要求提供备选设计方案及报价的情况除外。其次，他们可视部位的外观尺寸基本也不能改变，因为建筑师是非常痛恨别人修改它的外观尺寸。在这样的情况下，我们能做的是想办法在基本设计方案不变、外观尺寸不变的前提下完成优化设计。虽然也有不少顾问也要求不能改变构件的壁厚，避免发生安全事故。其实不然，在众多投标项目看来，系统构件的壁厚大部分都是可以优化的，譬如横梁、立柱等受力构件，在保证外观尺寸、满足结构受力安全的前提下，设计师可以根据规范的要求合理进行优化。特别在一些装饰性的构件上面，顾问公司常常做的异常的笨重繁琐和耗料，这是我们设计师优化设计的方向，但前提是保证外观尺寸。同时，在系统细部构造方面，特别是系统的内部构造，由于外观尺寸已经是不可以改变的，那简化内部的构造以及壁厚的优化尤为重要。但前提是保证系统的物理性能、使用性能不受破坏的前提下进行。最后，对一些在不可视区域的构件，大胆考虑，包括截面、壁厚、做法等都是进行优化设计的，毕竟在不可视区域，顾问不会非常敏感，前提是我们的做法合理、安全、先进，顾问都基本能接受。

优化设计细节，这个是设计师综合能力的体现，要求我们对设计以及优化的每个细节做到细处，在满足建筑师以及结构安全的前提下，把系统做得更加简洁、合理，体现出更高的性价比，而最终体现在更富有竞争力的报价上面来。

我们知道，幕墙的成本主要构成部分为材料成本，而材料成本一般主要是铝合金型材成本。铝合金型材的成本取决于幕墙的设计，不同的幕墙形式，其造价会不同。而相同的幕墙形式，不同的设计方案，工程造价也是不一样。如何合理的去设计和优化幕墙的铝型材，降低材料使用是我们每个设计师都要面临的问题。

首先从大方面来说，对不限制型材截面和做法的工程项目。以一栋高层建筑，单一的幕墙系统做来例子，常规的做法是至上而下都是用同一个幕墙系统，立柱及横料都是用同一截面。但从经济成本的角度来说，这样的做法是不够合理的，因为，在不同建筑标高对应着不同的风压，风压不一样意味着幕墙系统承受着不同的荷载。所以，我们可以考虑在不同建筑标高段采用不同的型材截面，这样做虽然增加了开模的费用，但对应高层建筑项目来说，铝型材的用量巨大，通过这种方式反而使铝型材的用量大大减少了，降低工程造价成本。

大家知道，规范对铝合金立柱和横梁的壁厚是有规定的。对铝合金立柱，截面开口部位的厚度不应小于3.0mm，闭口部位的厚度不应小于2.5mm。在设计的时候要充分考虑由此带来的型材用量的变化。而对铝合金横梁，当横梁跨度大于1.2m的时候，横梁截面主要受力部位的厚度不应小于2.5mm，当横梁跨度小于1.2m的时候，横梁截面主要受力部位的厚度不应小于2.0mm。这个很关键，譬如我们在设计一个幕墙分格的时候，横向分格尽量尺寸不要大过1.2m，以接近1.2m为宜，这样可以达到更好的性价比，铝型材用量更少。

铝合金装饰构件，分小装饰构件和大装饰构件。它们一般只有装饰或遮阳的功能，基本是不参与结构受力的。小构件譬如扣盖、装饰封边等，在自身强度足够、平面平整度有保证、使用功能不受影响、挤压条件满足的前提下越薄越好。而大装饰构件，要充分考虑由于挤压工艺要求所带来的影响。装饰构件越大，壁厚要求就越厚，可以考拆分成几个小的模具进行挤压，最后通过拼装的方式形成大装饰构件，可以达到省钱的目的。当然，这些优化设计上的改变，都是要在业主和设计院认同的前提下行进。还有一种思路，根据情况合理的把这些装饰构件和主受力构件综合设计，使其参与结构的受力也是节约成本的一种办法。

铝合金型材牌号和处理状态的选用，合理的选用材料牌号和处理状态可以有效减少型材的用量。大家知道，铝合金不同的材料牌号，不同的处理状态，材料的受力性能也不同，其市场价格也有差异。因此，我们在设计的时候要根据情况，综合考虑材料价格以及用量，来确定使用什么牌号和处理状态的材料。以铝合金型材为例，采用高牌号的铝合金型材可能价格相对会高点，但由于该材料的强度大，其用量可能大大减少了，成本反而降低。譬如在一些大风压的地区，立柱一般是由强度控制的，如果选用T5的铝合金型材（价格相对较低），当计算强度不够的时候，很多设计师都习惯性的通过加大截面来满足强度的要求，缺忽略了铝合金型材可以通过选择材料的不同牌号和处理状态来提高材料的强度这个细节。其实，如果合理的选用T6的铝合金型材，强度就可能已经满足，无需通过加大型材截面来弥补强度的不够，从而降低型材的用量。

在相同的条件下，幕墙的铝型材成本，取决于单位面积所用的铝型材用量，也就是取决于型材的截面积。所以，在满足荷载要求的前提下，如何减小型材的截面积，是优化设计的一个重点细节。在截面积不变的情况下，可以通过不同的截面设计，采用合理的截面形状、壁厚及内腔构造，来提高型材的受力性能，从而降低单位面积所用的铝型材用量。所以说，设计师在细部优化设计的时候，如何设计截面使该构件达到最大的受力性能也是节约成本的一种有效办法。

当然，有效降低成本的办法还可以从面板材料、硅酮胶、五金件、辅材等方面进行控制和优化。在这里就不一一做详细的介绍。

四、对相关材料的认识和应用

要成为一名优秀的幕墙装饰设计人员，既要掌握建筑幕墙的各种结构设计，构造设计，细节设计，又要掌握各种外装饰材料的规格、性能、和施工工艺，并大胆的运用各种新材料，这样才能设计出完美的作品，才做出经济实惠的优化设计。

譬如，在某个工程中，原建筑设计的铝板分格为2500×4000mm，这种现象就是建筑师可能没有全面掌握外装饰原材料的生产工艺造成的。如果我们的设计师也没有掌握铝板的生产工艺和规格，就很容易照搬建筑师的分格去设计。而目前的铝板原材料的常用规格为1220X2440，短边的宽度可以适当增加，但厂家会根据客户的要求按照增加不同的尺寸加收超宽的费用，而且2500mm的铝板宽度基本还是做不出来的。这样一来，如果中标了，不但方案实施不了，还造成了不必要的成本增加，更谈不上成本的优化了。

大胆的运用各种新材料同样可以做到节约成本，在某个工程当中，原设计在层间梁不透光部位用的是单片钢化玻璃+50mm厚保温棉+2mm厚的铝单板。这个配置是比较常规的设计，但设计师如果对新的材料比较了解，可能就会有其他新的优化设计方案。为何不尝试一下改用一些新兴材料来代替2mm厚铝单板？在业主和设计院同意的情况下，采用单片玻璃+50mm厚保温棉+硅酸钙板（FC板）的做法，硅酸钙板（FC板）比铝单板背衬板的价格也低得多。对于大面积的公共建筑，这里面优化下来的成本不是个小数目。

总结

优化设计范文第7篇

【关键词】油田计量接转站 优化设计

随着社会经济的发展和科学技术的进步，油田的生产与计量等方面的情形均有所提高和改善，使得油田生产的成本和原油质量提高，做到了科学化、合理化的生产。我国的大多数油田建立了油田计量接转站，并不断的进行科研和实践，为其在实践中不断的应用和推广奠定基础，降低了现场维护量和劳动强度，以期提高综合效益。

1 简析油田计量接转站优化设计的现状

我国的大多数油田均建立了油田计量接转站，有的油田甚至建立了好几个油田接转站，用接转站来分离出原油和伴生气然后将其分别输入相对应的联合站。考虑到降低能耗、减少工程投资、适应油田滚动开发等诸方面因素的影响，需要选择合适的稠油输送泵型，来方便管理油田计量接转站的管理，油田一般采用单井来油，然后通过接转站输送到联合站的方式，在实际生产中备受认可。与FGH型原油含气含水自动监测技术，其设备包含了射线型含水仪表、温度修正及含水修正设备等，以期精确地测量接转站原油或稠油中的含水量和流量，提高系统的计量精度等。 虽然其在实际中的应用效果较好，但还是存在一些列的优化问题，比如含水方面、流量方面、流程及技术方面的难题与困惑，因而需要找出问题，分析其产生的原因，具体问题具体分析，才可对症下药。2 浅谈油田计量接转站优化设计存在的问题

油田计量接转站优化设计的最主要方面是对原油或稠油的计量的精确测量和监测，通过导流技术来提高油田接转站的效率和效益，但是由于系统的长期运作和维修、维护措施不到位而造成设备损坏或者老化，在实际生产中事故和故障频发，严重影响了原油生产的进度。系统的稳定性受到影响，造成了实际施工不便。具体存在的问题表现在以下几个方面：

（1）系统采用射线型含水测量系统，运用导流技术来处理原油中的高、中含水，将纯水作为参照物，纯水的计量参考作用在于原油中水质的变化会引起纯水值的变化。当然，也可用来调节接转站的外输流量及含水，若原油中的含水或外输流量的绘制的监测曲线跟踪不及时出现，就意味着含水测量的精确度可能出现偏差或误差。通过自动化、智能化系统改造和实时监测，可以准确的控制和把握外输泵的外输量和稠油及原因的含水量，当外输泵的排量出现时大时小的不稳定现象，或者通过监测绘制的曲线不稳定均意味着接转站的计量不合理、优化设计的不科学。

（2）含水含量方面的问题。油田接转站计量的优化设计采用的是腰轮流量计的结构原理，因而再科学的原理也会存在一些漏洞，该原理也不例外。外在环境的温度和压力，内在原油或稠油的粘度都影响着计量的精度。原油或稠油的温度和压力越大，液体的粘度越小，则计量的精确度就越大，反之，亦然。而在实际的生产过程中，计量的精确度还受现场实际工况的影响。我国大多数的油田生产由于进入了高难度生产时期，接转站的外输量和含水量较以前均有所降低，含水量的降低相对应的含水中原油或稠油的粘度就会相应的增大，致使接转站计量的精确度降低。虽然流量计的漏失量相应的减少会延长设备的使用寿命和磨损程度，但在宏观方面考虑其影响程度还是不利于长远发展。按照原有的外输流量设计的管线，没有考虑到实际流量的变化情况，流量的减小会造成压力之间的不均，出现流量计不转或是倒转的现象，也关系到流量、流程及实际中原油的生产与管理的质量与水平的发挥。在流量的变化中产生的压力差使得系统的监测等不稳定而忽视对流量计间隙渗漏液体量的精确测量。

（3）单井的计量误差大。油气的分离不净造成质量含水计的含水原油中存在气相，影响其对双相流的精确测量。若气、液之间的分离时间短，致使一部分气体随液体进入质量计量计，影响单井的准确测量。

（4）由于外输泵的性能不好或者安装不合理造成泵效不高，噪音大、耗能大，维修困难等。同时，事故的油罐底部被抽空等对会影响油田接转站计量的优化设计。

3 简析油田计量接转站优化设计的改进措施

对于以上油田计量接转站优化设计存在的问题，需要针对具体的实际情况进行具体分析，含水含量均影响到计量的准确测量，而单井测量存在的误差也必然影响到原油生产的整体效益和质量。以上的问题是大多数油田存在的问题，因而需要针对具体的普遍问题采取相应的解决措施，以下的有关优化设计原油计量接转站的几点建议及措施，仅供参考：

（1）加强技术创新、科技改革和企业的管理工作。油田接转站设计中出现的问题既包括管理方面记作业人员的个人素质，也包括技术本身存在的缺陷和不足，因而为了提高接转站计量的精准度，还需要科研机构和企业管理人员与时俱进，不断地创新和改革，可以通过引进和借鉴国内外的设计方案和技术来提高和夯实本身的根基，不断地在此基础上精益求精。

（2）针对含水问题，需要定期的对原油中水含量进行测量，制定相应的含水标准，发现问题及时解决。依据原油的产量和原油的成分进行分层，使其分一个层次都有一个相对应的标准。实时监测井下的作业情况和跟踪含水变化，降低各种干扰实际生产的因素。此外，也可根据实际情况做好预备计划，以备不时之需。

（3）为了有效地解决含量问题，可采用密封输油方式，井排来油时，可经过预缓处理来延长气、液的分离时间，减少原油渗透量的同时，降低原油的粘度以期提高原油的计量精确度。

（4）针对单井测量的误差外输泵效问题，可采用双螺杆泵来输送原油，双螺杆泵的性能较好。能够有效地解决泵输送效率、噪音和气相等问题。同时，要合理的安装泵，使用和维护好设备。进泵管线尽量选择短的，人为的减少缓冲容积，缓冲罐出油管线应尽量的从底部伸出，设定合适的缓冲罐高度。

参考文献

优化设计范文第8篇

关键词：油井;方案;供排协调;优化设计

1 引言

影响油井开采效果的因素是多方面的，其中与油井的采油工艺设计水平有很大关系。设计不合理，作业实施后，就不能确保油井合理正常的生产，不但不能充分发挥油层或抽吸设备的潜力，而且还会影响检泵周期。因而做好设计意义重大。传统的凭经验出设计的方法，人为因素多、误差大，容易造成一些不必要的损失。为提高油井采油工艺设计水平，我们开发了这套油井方案优化设计软件，主要包括：电泵井、抽油机井、抽稠泵井、混合杆柱井等生产系统方案的优化设计软件，这些软件都不同程度的在胜利油田投入了实际应用，不仅提高了采油工艺方案设计水平，同时为实现油井管理由经验型向科学管理型的转变，提供了一种有效的手段。

2 技术理论与数学模型

油井方案优化设计是以油井生产系统为研究对象，以油井供排能力（IPR曲线）为依据，以整个系统的协调为基础，采用节点系统分析的方法，在充分研究油层、井筒、排出系统工作规律、相互作用和其对油井生产动态影响的基础上进行设计的，各部分都采用了较为先进的数学模型与计算方法。

2．1流入动态计算

准确预测油井的产能是油井生产系统优化设计的前题。该系统中采用的产能预测方法是以广义IPR方法为基础，同时充分考虑到现场中的使用条件，并根据能录取到的油井资料情况，采用多种方式来预测油井的产能，其数学关系可表示为：

Q=F（Pwf）

式中：Q——油层的产液量

Pwf——井底流压

2．2压力分布计算

流体在井筒中的流动以及在油管中的流动为多相垂直管流（有杆泵泵上油管中的流动为多相垂直环空流），其压力分布采用目前被广泛应用且较为精确的orkiszewki方法进行计算。其基本压降公式为：

2．3排出动态及供排协调

各种机械采油方式的井其排出动态关系，均可用下式表示：

q＝ f（PN，SB，CS） （3）

式中：q——泵所排出的液量

PN——泵吸入口压力，它反映油层的供液状态

SB——抽汲设备、抽汲参数的影响因素

CS——流体物性参数的影响因素

由于泵吸入口压力与井底流压之间存在着——一对应的关系，这样就可以把油层的供液能力曲线（IPR曲线），以及泵的排出动态曲线（式（3）所表示的曲线）画在同一个坐标平面上（见图1），其交点M（Q，Pwf）就为油井生产过程中的供排协调点。供排协调点的计算是油井优化设计的基础。

图一 供、排协调示意图

各优化设计软件在描述与计算流体在油层中的流动以及在井筒或油管中的流动是一致的或相似的，主要的不同之处是排出动态规律有差异。

(1)电泵井的排出动态规律的描述与计算，主要依据K.E.BROWN主编的《升举法采油工艺》卷二＜下＞中的理论与计算。

该模块包括两个程序，可用两种方式进行设计。一种为常规的设计方式（确定级数法），其核心内容为：人们根据油层的供液能力，确定泵型、泵深及油井的产液量，由计算机计算出所需的泵叶轮级数；另一种为方案预测法，即：人们根据预测的油井产能情况，输给计算机一个完整的设计方案，由计算机预测出这一方案的结果，由此来判断这一方案是否可行。

(2)在抽油机井方案优化设计软件中，对抽油杆柱上下冲程所承受的应力都进行了精确的计算；杆柱强度的校核采用的是古德曼应力图法；即可对杆柱进行等强度设计，也可进行非等强度设计；即可用C级杆进行设计，又可用D级杆及高强度杆进行设计。

(3)混合杆柱优化设计软件，实质上是有杆泵井的方案预测软件，可人为的任意组合杆柱，由计算机预测设计方案的结果，由此判断方案设计是否可行。该软件可对各种杆质的抽油杆（常规抽油杆、玻璃钢抽油杆、高强度杆、加重杆等）进行设计。

(4)液力反馈式抽稠泵与常规抽油泵的结构不同，工作规律差异也较大。其特点是在下冲程时，液柱能施加给活塞一个向下的作用力（液柱反馈力），辅助抽油杆下行，克服困粘度摩擦太大，抽油杆下行滞后的现象，并且改善了抽油机及杆柱的受力状况。

(5)螺杆泵是一种容积式泵，靠抽油杆的旋转带动泵工作，其工作原理与常规往复式抽油泵的工作原理是不同的，杆柱的受力状况也不一致，杆柱的受力分析、杆柱强度的计算效核是该软件的关键。

3 系统特点

该系统比较适合现场应用。一方面，该软件的各部分都采用了较为先进的数学模型与计算方法，以保证较高的计算精度，理论上具有一定的先进性；另一方面，该软件在Windows 环境下运行，操作十分方便，用该软件可十分轻松、方便的出设计，特别是对设计管住、施工预算、施工技术要求等部分都进行了很好的处理。

该软件采用多种方式预测油井的产能。设计过程中需输入到计算机的油井基础数据，在现场都比较容易采集。对在现场难于采集到的静压资料，要求的并不是十分苛刻。同时，软件保留了传统的设计方法（人为预测产能，直接对排出系统进行设计）。基本上绝大多数井都能够用该软件进行设计。

有杆泵的杆柱设计有两种方式：一种是由计算机自动进行杆柱设计（抽油机井优化设计软件）；另一种是人为的任意给定杆柱组合（混合杆柱优化设计软件），计算机预测结果，从而判别给定的杆柱组合是否合适。这在实际应用中是十分有利的。如：原井的杆柱组合是否合适，是否需要变动，也可用该软件进行判断。该软件既可对常规抽油杆柱进行设计、又可对高强度杆、玻璃钢杆、加重杆等进行设计。

4 结束语

使用“油井方案优化设计”软件，对油井生产系统进行优化设计，是实现油井管理由经验型向科学管理型转变的一种重要手段，其突出的特点是投入少、收效大。随着油田改革的不断深入、经营机制的转换，其作用将会越来越大。

参考文献

[1]赵凤芝等 ，智能诊断技术在稠油开采中的应用与实现[J]，计算机系统应用，2000. 1

[2]王鸿勋等，《采油工程原理》[M]，石油工业出版社，1981.

[3]张海潘，《软件工程导论》[M]，清华大学出版社，1994.

[4]〖美〗K·E布朗主编，《升举法采油工艺》[M]，卷二

优化设计范文第9篇

关键词：冷却塔 逆流塔 循环冷却水 优化设计

目前逆流式机力通风冷却塔得到了广泛应用，在轴流风机的作用下，驱动空气从冷却塔周围依次通过进风口、淋水填料、配水系统、收水器，进入风筒，最后又将空气输送到大气中的。那么在逆流冷却塔设计中，对冷却塔填料、配水、收水器、风筒的优化设计，对冷却塔处理能力的提高，降低塔的阻力，提高风量，增加气流分配的均匀性有很大作用。

一、填料的优化设计

在冷却塔中，淋水填料的散热能力占整个冷却塔冷却能力的80%以上，所以淋水填料的优化设计在冷却塔设计中显得至关重要。淋水填料的亲水性能，直接影响冷却效果，材料亲水性好，可使水在淋水装置的整个表面得到最大程度的扩散，增加水和空气的接触面积，提高冷却效果。本公司采用一种新型填料IC-A填料，该填料主波采用梯形设计，次波采用特殊的“凸”形设计，水在填料表面能形成不断翻滚混合的三维立体水膜。这种水膜与常规薄膜填料表面形成的两维平面水膜相比，不仅停留时间较长，而且水气也实现了全方位充分接触，减小了流体边界层对传热的不利影响，使水气的传热、传质显著增强；该填料通过提高波形的复杂程度，使其比表面积比一般双梯波薄膜填料增大约25%。其冷却能力是常规双梯波填料的1.3倍以上。

淋水填料支梁选用玻璃钢方管，减小了塔的断面阻力，并且防腐性能良好。与混凝土梁作比较，由于混凝土梁的高度要远大于玻璃钢方管梁（混凝土梁的高度一般为500-700mm，玻璃钢方管梁的高度仅为70-90mm），混凝土梁后涡流区的面积也要远大于玻璃钢方管梁，经过实塔对比测试，采用混凝土梁填料架，整塔混凝土量要增加5%，热力性能下降4%。

二、配水系统的优化设计

配水系统的优化对冷却塔的冷却效果起到很大作用。配水系统的优化包括配水喷头的选择与布置、配水管道的水力计算、配水管道的材质确定。配水喷头是冷却塔配水的重要配件，流量系数大，配水不均匀系数小，强度高的配水喷头应为首选。本公司常用带有自锁装置的三溅式防松喷头，该喷头采用下喷方式，三溅式防松喷头布水，喷头材质为ABS塑料一次注塑成型，强度高，使用寿命长。系统对水力负荷具有较高的适应性，系统在运行负荷达到130%时仍可正常工作，运行负荷低至70%时整塔布水均匀性不受影响。整个配水系统使用管网状结构，稳定性好，配水均匀。主管及支管下部装有喷头，保证配水系统最低点均有泻水点，以防止设备停运时管道积水和运行时管道污物沉淀，避免配水管道进行人工清洗的麻烦，在浊度小于300ppm非粘性水质中能全天候安全运行。配水管网选用U-PVC材料，这种材料耐腐蚀性能良好，水流阻力小。

三、收水器的优化设计

收水器的优化可提高收水效率，减少气流阻力。我公司的专利产品加筋收水器，收水器片材质为PVC，采用挤拉成型工艺，是原来弧形收水器的更新换代产品，该收水器在各种工况条件下，其飘水损失

四、风筒的优化设计

选用动能回收型风筒，该风筒充分利用了气体流场均匀化理论，结合工程实践经验和实测数据而设计，内壁曲线采用椭圆曲线，与采用直线的自然扩散型风筒相比较，消除了气流脱壁现场，缩小了涡流区，使风筒中心负压区面积大幅缩小，出风口断面风速分布趋于均化，经实际应用检测，该风筒动能回收值大于30%。风筒采用模压工艺成型，外表面为含光稳定剂的光滑胶衣树脂，内表面涂树脂两遍，经压模处理保持较高光洁度以减少阻力。风筒采用T型大端面空腹筋，应力集中段和联接端埋有预制件以保证风机整体强度和运行强度。

五、冬季化冰技术的优化

在最冷月平均气温低于-5℃的地区，冷却塔的冰冻的危害是极其严重的，这些冰冻主要出现在进风口的梁、柱，淋水填料、壁板、风机叶片、塔顶和塔的四周地面，减少了冷却塔的使用寿命。这些冰冻的出现不但影响冷却塔的正常运行和巡检，降低了塔的性能，增加了员工的劳动强度，而且破坏了淋水填料、塔体，影响塔体的紧固与稳定。

造成了其他冰冻的原因如下：进风口无导流设施或导流设施不合理，在进风梁处形成“尿檐”现象，即梁下水流呈滴滴嗒嗒状态，形成像石灰岩溶洞中石乳与石笋一样的冰，进而相连形成冰柱，冰柱与冰柱相连而形成冰墙，这时就把进风口完全封住；进风柱处也因同样原因，柱周围结冰，使柱子加肥变粗，而且与进风梁下的冰帘、冰柱相连；配水系统设计不当使塔在冬季停时管道内积水，造成管道冻裂；配水喷头堵塞，使配水不均匀，局部淋水密度太小，水温降大，在填料中及填料架下产生的冰冻；经填料冷却后的循环水由于温度较低，在靠近进风窗侧与外界冷空气接触产生冰冻；集水池由于长期停用而又没有必要的排空防冻措施；进风侧集水池顶层梁设计不合理，造成冷却塔雨区淋水淋在梁上从而溅落到水池外，造成塔周围结冰；面板密封不严渗水、漏水；收水器收水效果差，造成飘水严重，滴落在塔顶平台和塔周围地面，造成结冰，若冬季仍开风机结冰更为严重。

根据北方地区的运行环境，对化冰措施作如下设计。塔进风窗上沿混凝土下部进行尖端处理，防止壁流水外涎；设计中配水系统主管及支管下部装有喷头以防止停车时管道积水和运行时管道污泥沉淀。使配水管道不存在污泥沉淀的情况，避免了配水管道进行人工清洗的麻烦，同时消除了停车时配水冰冻的隐患；采用可短时反转风机，当塔进风口存在冰幕时，使塔内气流反向流动，利用塔内热空气消除冰幕；进风口处设置化冰热管，切断冰幕。在冷却塔水池设计中，对进风侧水池顶层梁采取下沉500设计，池壁外扩，使淋水外溅现象可以得到彻底的解决。

六、结论

优化设计范文第10篇

关键词：电机数学模型优化方法电机的优化设计

1.引言

在现代社会中，电能是现代社会最主要的能源之一。在电能的生产、输送和使用等方面，电机起着重要的作用。纵观电机的发展，其应用范围不断扩大，使用要求不断提高，结构类型不断增多，理论研究也不断深入。同时，优化设计为电机设计开创了新局面，其应用日趋广泛。而在电机设计中应用优化技术时，还有些具体问题应引起重视。

2.电机优化设计数学模型的建立

2.1目标函数

在优化问题中，首先要确定目标函数，这要按具体的要求来决定，但应力求使目标函数简单，能用单目标的就不要用多目标去优化，以采用较成熟的优化方法。

选择确定目标函数是整个优化设计过程中最重要的决策之一。有时存在着明显的目标函数，有时会出现两个或多个应当成为目标函数的量。这类问题可用多目标求解方法中的原则和办法去处理。构造负荷目标函数时，应注意排除量纲以及数量级的影响。有时会觉得目标函数是很明显的，实则不然，必须注意确立优化问题的真正目标函数。

此外，应提出注意的是一般情况下，由于设计变量和目标函数之间的高度非线性关系，在电机优化设计中，其目标函数很难用其变量的解析显示表达，更不用说求其导数了，因此在选择优化方法时应注意这一问题。

2.2设计变量的确定和处理

在电机的优化设计中，决定电机性能指标的量很多，总计在50个以上。如电机的结构参数和电磁参数及其有关的量，理论上都应为变量。这样似乎又严格又全面，实际上并不一定合适，有时甚至是不可能的。

在优化设计中，变量的选择对优化结果影响较大，为避免过大的计算量、简化程序，顺利地求解优化问题，变量的选择应尽量互相独立，个数应尽量少。要注意选择那些对目标函数和约束条件有明显作用的量作为变量。按照这个原则及电磁计算的内在规律，对电机的几十个设计变量加以具体分析。例如，考虑到中小型异步电动机都为系列产品，并且是多与其它机械设备配套，要求有互换与通用性，故外径D可按标准给定作为常量；再如槽口尺寸对电机的性能影响较小也可作为常量处理，这样把一些次要的量以及特殊技术要求所能确定的量均按常量处理，变量数可大大减少。在选取电机设计变量时，还要根据具体情况，程序的功能及配合，加工工艺要求等具体问题具体分析做成抉择，一般选10个左右作为变量。在求优化过程中若发现当作常量的量对性能影响很大时，例如深水泵电机转子的电密，也可以变其为变量处理。

在电机优化设计中，确定为变量的若干参数常常有不同的量纲，在数量级上相差也很大，虽然其对电机性能影响指标都有重大影响，但在优化中它们实际上处于不平等的地位，目标函数等值面将会畸变得非常厉害，对搜索精度和方向上要求严苛，难于保证优化的顺利进行，并会使数量级较小的变量的作用被忽略。因此对这些变量应做处理，可以用放大或缩小比例尺的方法，也可以用“标幺值”的做法将各量被其相应的给定值除一下化为无量纲的量，然后去进行优化，最后结果再分别变换为原来的实际变量。

2.3约束条件

电机的性能约束是根据电机设计的性能指标而确定的约束，有几个性能指标，就有几个性能约束。除此之外，还有一些限制变量取值出现异常值的限制，如受强度限制的最小转子冲片内径，最小槽形尺寸，最下齿根宽；受工艺限制的最短的线圈端部长度，最高的槽满率；受饱和限制的最高齿轭磁密等。还有些根据经验法则或由于缺乏适当的计算公式或其它途径提出的限制而形成的约束，如为简化优化问题，原来做为优化标准转化而来的某些限制，以及设计变量取值必须为整型量或给定尾数型的离散量而增加的部分约束条件等等。

电机的优化设计就是在全面满足上述多种约束条件想前提下求出目标函数的最优值。

一般情况下，把电机的约束条件表示成设计变量的显函数形式是不太可能与不实际的，这显然左右着优化方法的选择。从简化问题与求优顺利的角度而言，约束条件的个数应尽量少。而为了突出某个或某些性能指标的重要性，可如同罚函数中权因子那样采用加权的方法。

3，优化方法的选择

当数学模型确定后，重要的问题是选择一合适的最优化的求解方法。电机设计的优化问题是一种带有多个不等式的约束的非线性优化问题，属于混合离散性的规划问题，是静态的，多半变量是确定性的一类优化问题。

就电机优化设计问题的特点而言，由于其目标函数和约束条件一般都不能表示成设计变量的显函数。电机优化设计方法最宜采用直接法，直接利用函数值的搜索方法。

目前在国内外电机优化中应用最广泛而且普遍认为有效的是suMT法，直接法中的复形法，随即搜索法也较为有效，优化可靠、快速，且方法简单。常用的无约束优化方法有随即搜索法、模式搜索法、共轭方向法、单纯形法等。另外变尺度法和最速下降法也被应用，但由于这两种方法均要求导数，用起来较困难，放法繁琐，计算时间也长。