学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于仿真的制冷系统稳健设计方法研究

作　者: 杨亮
导　师: 谷波; 张春路
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 制冷系统换热器模型仿真稳健设计
分类号: TB657
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 454次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

制冷系统仿真模拟技术已经有了相当的发展，在制冷系统匹配设计、控制设计以及以楼宇为代表的区域制冷空调系统的设计与控制上都有广泛的应用。仿真模拟技术的出发点是为设计提供一个虚拟实验室，但并不是有了实验室就可以设计出好产品，关于产品设计还有一套先进的方法学。稳健设计又称鲁棒设计，是一种基于不确定因素来优化产品质量的重要方法，它不仅可以优化产品性能，还可以优化产品性能波动。发达国家非常重视稳健设计，并已取得了巨大的经济效益。传统的稳健设计方法是基于试验的，很难在制冷系统的优化设计中发挥作用。事实上基于准确、可靠的工程模型，各类产品设计方法都可以获得更为全面深入地研究和应用。但是，在制冷空调领域，将产品设计方法学与仿真模拟技术相结合的研究还寥寥无几。本文提出了基于仿真的制冷系统稳健设计方法，并探讨其在制冷空调装置设计中的应用。本文的工作开创了仿真理论与产品质量设计相结合的新型设计模式，有助于全面理解与改进产品质量设计的过程。本文的主要研究内容包括：1.本文提出了基于仿真的制冷系统稳健设计方法。该方法是田口方法体系的拓展，既保留了田口方法通用性强、便于逐步校验与分析的优点，又将工程模型引入稳健优化设计，克服了传统方法无法预测产品质量及其波动的弱点。本文应用MATLAB优化和统计学工具箱，实现了稳健设计方法与制冷系统仿真模拟技术的结合，在MATLAB上开发了结合稳健设计理论的制冷空调装置质量优化设计综合仿真平台。2.本文探讨了稳健设计对制冷系统仿真模型提出的要求，在此基础上建立制冷系统和部件的仿真模型，并进行了实验验证。a)建立了风冷翅片管换热器仿真模型，采用考虑制冷剂支路实际连接方式的三维模型,能够反映换热器内制冷剂和空气不均匀流动对换热器性能的影响。实验验证结果表明，该模型对换热量的预测误差在±5%之间；b)提出了一种新的压缩机“灰箱”模型：基于效率损失的压缩机神经网络模型。确定了最优的神经网络结构、输入参数组合和传递函数类型。建立的模型不仅在回归范围内有相当高的精度，在回归范围外也有非常好的外推性，且适用于多种容积式压缩机；c)提出了一种精简的毛细管和短管流量特性的无量纲关联式，将无量纲参数的定义从亚临界拓展到跨临界，同时保证了参数的连续性，显著提高了神经网络模型的通用性，模型对多种亚临界工质和超临界CO2均适用；d)建立了制冷系统的仿真平台，包含设计计算和校核计算两种求解模式。实验验证结果表明，对制冷量和功率的预测误差均在±5%之间。3.完成了基于仿真的稳健设计方法在翅片管蒸发器优化设计上的实例应用。在不确定因素干扰下，完成了风冷翅片管蒸发器结构参数的稳健优化设计；并利用蒙特卡洛模拟计算换热器质量特性值的分布（均值、标准差）和质量指标（设计能力指数Cpk），最后分别从改变设计参数均值和减小设计参数容差两个角度讨论了提高换热器质量等级的方案。4.完成了基于仿真的稳健设计方法在轻型商用空调器设计上的实例应用。首先通过对系统匹配参数进行稳健参数设计与优化，确定了在部件噪声矩阵干扰下，节流元件和制冷剂充注量的最佳匹配结果；其次利用蒙特卡洛模拟计算系统制冷量和功耗的均值、标准差和Cpk；最后利用中心复合试验设计回归了Cpk随部件容差变化的响应曲面，并结合成本模型和质量损失函数Cpk的响应曲面对制冷装置的各部件容差进行了优化。最后，作者简要阐述了本文工作存在的不足和进一步的研究设想。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
目录  8-16
符号说明  16-19
第一章绪论  19-36
  1.1 研究背景及意义  19-21
  1.2 制冷系统仿真模拟技术的研究现状评述  21-26
    1.2.1 面向制冷系统匹配设计的稳态仿真技术  21-23
    1.2.2 面向制冷系统控制设计的动态仿真技术  23-25
    1.2.3 面向大系统设计与控制的综合仿真技术  25
    1.2.4 从仿真模拟到现代产品设计方法学  25-26
  1.3 稳健设计方法的发展现状概述  26-33
    1.3.1 稳健设计的基本原理  26-30
    1.3.2 国内外稳健设计的发展  30-31
    1.3.3 稳健设计在热工程中的应用  31-33
  1.4 本文研究的目标和主要工作  33-36
第二章基于仿真的制冷系统稳健设计方法原理  36-54
  2.1 基于仿真的制冷系统稳健设计方法的提出  36-39
  2.2 基于仿真的制冷系统稳健设计方法的实现  39-48
    2.2.1 影响因子分析模块的功能及其实现方法  40-43
    2.2.2 稳健参数优化模块的功能及其实现方法  43-45
    2.2.3 设计能力分析模块的功能及其实现方法  45-47
    2.2.4 参数容差优化模块的功能及其实现方法  47-48
  2.3 稳健设计对制冷系统仿真模型的要求  48-53
    2.3.1 合理选择模型边界条件  48-50
    2.3.2 合理确定质量特性  50-53
  2.4 本章小结  53-54
第三章风冷冷风制冷系统仿真模型与实验验证  54-82
  3.1 风冷翅片管换热器三维仿真模型  54-63
    3.1.1 建模策略  54-55
    3.1.2 微元模型  55-58
    3.1.3 模型算法  58-61
    3.1.4 实验验证  61-63
  3.2 基于效率损失的压缩机神经网络模型  63-69
    3.2.1 神经网络的结构  64-67
    3.2.2 模型验证  67-69
  3.3 毛细管和短管无量纲神经网络模型  69-75
    3.3.1 数据样本  70-71
    3.3.2 神经网络的结构  71-73
    3.3.3 模型验证  73-75
  3.4 风冷冷风制冷系统模型及其验证  75-81
    3.4.1 系统模型  75-77
    3.4.2 系统算法  77-78
    3.4.3 实验验证  78-81
  3.5 本章小结  81-82
第四章基于仿真的风冷翅片管换热器稳健设计方法  82-106
  4.1 换热器离散型参数的优化方法  82-87
  4.2 换热器连续型参数的优化方法  87-97
    4.2.1 影响因子分析  87-92
    4.2.2 设计参数的稳健设计  92-97
  4.3 换热器质量指标的预测与改进  97-101
    4.3.1 换热器性能的均值和分布  97-98
    4.3.2 换热器质量改进方案的讨论  98-101
  4.4 换热器稳健设计方法可靠性验证  101-105
  4.5 本章小结  105-106
第五章基于仿真的风冷冷风制冷系统稳健设计方法  106-132
  5.1 系统参数的稳健设计  106-112
  5.2 系统质量指标的预测与改进  112-117
    5.2.1 系统性能的均值和分布  112-115
    5.2.2 系统质量改进方案  115-117
  5.3 系统各部件容差设计与优化  117-127
  5.4 系统稳健设计方法可靠性验证  127-131
  5.5 本章小结  131-132
第六章总结和展望  132-136
  6.1 本文总结  132-133
  6.2 本文研究的创新点  133-134
  6.3 研究展望  134-136
参考文献  136-152
致谢  152-153
攻读学位期间发表的学术论文  153-156
上海交通大学博士学位论文答辩决议书  156

基于仿真的制冷系统稳健设计方法研究

内容摘要

全文目录

相似论文