基于VB的噴氣織機主噴嘴結構尺寸優化

錢晨，馮志華，趙冉

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

在氣流引緯的過程中，紗線在主噴嘴內高速氣流的牽引下，由靜態漸變為以一定速度軸向運動的近似穩態過程。因此，主噴嘴內部結構參數的大小影響著牽引紗線運動的流場分布，而通過改變主噴嘴內部結構的尺寸、形狀來改善流場分布，提高引緯效率，近些年來國內外已有很多研究者做了深入的研究。馮志華、劉帥[1]在結構上提出了一種噴氣型紡織機的主噴嘴模型和裝配方法。董騰中等[2]基于FLUENT軟件，對主噴嘴內部流場進行三維數值模擬并通過實驗進行了驗證。張科[3]將主噴嘴內部等直徑導紗管改為錐形導紗管，研究了錐形導紗管兩端直徑比對內部流場的影響。路翔飛[4]對噴嘴芯不同拋物線方程、錐形套斜率等參數所形成的流場進行了研究。LIU Dingding等[5]利用正交實驗法研究了噴嘴芯出口處外徑、整流槽至噴嘴芯出口距離、噴嘴芯α面投影長度等參數對流場以及紗線牽引力的影響。CHEN Liang等[6]通過主噴嘴“串聯”的結構形式分析了其內部流場的分布情況。LIU Shuai等[7-8]通過對紗線進行等離子處理，探究紗線表面特性與紗線所受阻力的響應關系。國外，VIKTOROV V等[9]結合流場數值計算和試驗，對主噴嘴內流場的牽引力進行分析和評估。KERMANPUR A等[10]以工業實際數據為基礎，利用人工神經網絡算法，將噴嘴的不同噴射角度、垂直高度等參數對射流推力的影響做了相關的靈敏度分析。OYAMA. A等[11]通過將優化遺傳算法與流體計算方程相結合，以軸流透平葉片的相關參數為設計變量，以熵為評價指標，開發了針對渦輪片結構設計的優化軟件，在一定條件下得出了最優葉片以及最小熵損失量。

上述研究未能有效預估主噴嘴結構參數與紗線所受牽引力關系，也沒有形成主噴嘴的具體優化方法。因此，本文對建立適用于ZAX型噴氣織機主噴嘴結構的優化平臺做了相關研究。具體而言，基于VB軟件，將建模、流場分析、函數關系擬合和優化集成，以內部參數變為設計變量，一端固定紗線所受牽引力大小為設計目標，對主噴嘴內部結構尺寸優化，形成了一個較為完整的主噴嘴尺寸優化體系，極大地縮短了主噴嘴優化周期，提高了主噴嘴的引緯效率，同時也對工程類結構優化提供了一定的參考。

1 主噴嘴結構及流場模型

1.1 主噴嘴

ZAX型噴氣織機主噴嘴是由噴嘴體、噴嘴芯、錐形套和加速導紗管組成。壓縮空氣從上端入口進入，通過內部結構腔，形成主噴嘴內部流場，牽引紗線向前作軸向運動。紗線在主噴嘴流場中運動受力模型如圖1所示。

1—噴嘴芯；2—噴嘴體；3—錐形套；4—加速導紗管。圖1 紗線在流體中運動受力模型

1.2 主噴嘴流場三維模型

基于上述主噴嘴結構，根據相關結構參數，通過ANSYS內置APDL語言對主噴嘴內部流場進行參數化建模。主要結構參數如下：噴嘴芯外端徑向距離V4、噴嘴芯內孔半徑V2、錐形套高度V3、環形氣室徑向高度V1、喉部長度H2、環形氣室軸向長度H3等。主噴嘴內部流場三維模型以及相關結構變量分布如圖2 所示。

圖2 主噴嘴內部流場模型及設計變量

模型建立后，通過APDL命令流對其參數化劃分網格。考慮流體模型結構的復雜以及流體仿真計算對網格精度的要求，以結構與非結構網格混合的形式對流場模型劃分網格。流場網格模型如圖3所示。

圖3 主噴嘴流場網格模型

2 主噴嘴結構優化

本文在0.3MPa的供氣壓力下，通過單因素分析法，選取對紗線所受牽引力靈敏度影響較大的設計變量，并給定設計變量設計約束，通過優化算法求得最優設計參數組合以及對應的紗線所受最大牽引力。數學模型如式(1)所示。

(1)

鑒于VB軟件可視化、模塊化的編譯優勢，本文基于VB軟件將主噴嘴內部流場建模、流場仿真計算、設計變量與設計目標關系的擬合以及遺傳尋優等6個模塊于VB中集成，生成.exe可執行文件。具體流程如圖4所示。

圖4 軟件優化流程圖

2.1 模型更改和流場計算

通過ANSYS中APDL命令流對流場模型參數化建模。首先，將參數化建模中的部分參數設定為變量，通過程序的循環迭代，實現相關結構參數的變化以及生成不同結構對應的.mac宏文件。其次，通過VB對ANSYS的調用，驅動ANSYS讀取.mac宏文件，實現主噴嘴結構參數的變化、網格的劃分和邊界面的定義，并生成對應的.cdb網格文件，流程圖如圖5所示。最后通過FLUENT內置TUI語言，實現FLUENT對網格文件的讀取、流體的參數化設置以及流體的仿真計算。與模型更改流程類似，在此不重復敘述。其中邊界條件設置參考文獻[4]。在流體計算收斂后輸出中心軸線上的速度、密度等參數，圖6為流場速度分布云圖。

圖5 模型更改流程圖

圖6 流場速度分布云圖

2.2 數據處理

對流場計算輸出的相關參數進行讀取，根據文獻[10]牽引力公式計算出紗線在不同主噴嘴流場中所受的牽引力大小。作用在紗線微元段上的牽引力如式(2)所示。

(2)

式中：Cf氣流與紗線之間的摩擦因數；d為紗線直徑；ρ氣流密度；v為氣流速度；u為緯紗飛行速度；dl為微段紗線長度。Cf是根據文獻[12]，通過實驗和仿真計算得出流場對不同紗線的牽引系數，例如OER13.5S型紗線牽引系數隨相對速度變化及擬合曲線如圖7所示。

圖7 OER13.5S型紗線牽引系數隨速度變化曲線

根據文獻[13]，當氣流速度超過50m/s時，紗線才能被順利引緯。通過對原始流場結構模型仿真，分析中心軸線的速度分布，可大致得出所選取紗線的長度。根據以上參數和紗線所受牽引力公式可獲得不同主噴嘴結構下紗線所受牽引力的大小。主噴嘴軸向速度分布如圖8所示，紗線在不同入口氣壓下長度取值如表1所示。

圖8 主噴嘴軸向速度分布圖

表1 不同氣壓對應紗線長度表

氣壓P/MPa紗線長度L/m0.30.2670.40.2720.50.284

2.3 函數關系的擬合

通過編寫擬合算法，以多元二次項形式擬合出設計變量與設計目標的函數關系。具體形式如式(3)所示。

(3)

其中:Ai、Bk、Ci、D為系數項，xi為設計變量。利用最小二乘法，構造新函數如式(4)所示。

(4)

2.4 遺傳全局尋優

遺傳算法尋優過程是模仿自然生物進行機制發展起來的隨機全局搜索和優化方法。通過將設計變量的十進制數值轉化為二進制初始種群，以適應度計算、選擇、交叉和變異的方式來實現主噴嘴結構的優化，最后通過將輸出的最優數據傳遞給模型更改模塊來實現模型的更改，通過重復迭代計算，尋找設計變量最優參數組合。收斂標準如式(5)。

(5)

其中ε取值為0.01。最后輸出最優參數組合以及最大牽引力值。圖9為遺傳算法流程圖。

圖9 遺傳尋優流程圖

3 優化結果分析

通過該軟件的仿真優化，對28組不同結構參數的主噴嘴進行了數值模擬，計算出長度為0.267m的OER10.5S規格紗線在主噴嘴入口壓力為0.3MPa的條件下所受的牽引力大小。

3.1 靈敏度的計算結果

通過單因素分析法，在約束區間內對設計變量做微小的變動，同時保持其他變量參數不變，進行仿真計算，計算得到相應的牽引力值大小，通過差分計算，得到各個變量對紗線所受牽引力的影響因子，如圖10所示，分別為：V4、V2、V3、V1、H2。

圖10 設計變量對牽引力靈敏度圖

3.2 參數優化分析結果

表2給出了主噴嘴優化前后的結構參數和紗線所受牽引力大小。

表2 優化前后主噴嘴各參數對比

擬合設計點的牽引力大小與仿真計算值對比如圖11、圖12所示。

圖11 牽引力擬合值與仿真計算值對比圖

圖12 牽引力擬合值與仿真計算值殘差圖

主噴嘴優化前后中性面流場速度云圖如圖13、圖14所示。

圖13 優化前流體中性面速度云圖

圖14 優化后流體中性面速度云圖

結合圖15所示的優化前后主噴嘴內部流場中心軸線速度分布圖可知：優化后主噴嘴環形氣室的氣流分布更為均勻，導紗管出口以及中心軸線的最大速度提高了2～5m/s，在負壓區前端，中心軸線速度高了12m/s左右，且負速度區的長度縮減1.4mm。紗線在優化后主噴嘴中所受牽引力大小較優化前提高了10.6%。

圖15 0.3 MPa下優化前后軸向中心速度對比圖

綜上所述，在V4=0.65mm、V2=0.90mm、V3=1.28mm、V1=1.32mm、H2=8.16mm的結構參數下，OER10.5S規格紗線所受最大牽引力fmax=0.291N。

4 實驗驗證

為了進一步驗證此套優化理論以及優化結果的正確性，對優化前后主噴嘴進行實驗驗證。

4.1 材料準備

通過3D打印，打印出優化前后的主噴嘴，采用光敏樹脂材質，打印精度為0.1mm，模型如圖16所示。

圖16 優化前后主噴嘴模型圖

4.2 牽引力測量裝置

裝置主要由FD-1動態張力儀、BZ2210系列多通道動態電阻應變儀、DLF-3雙通道電荷電壓濾波積分放大器、INV高精度數據采集分析儀(圖17、圖18)組成。其中動態張力儀將收集到的應變信號傳送到動態電阻應變儀，信號經過積分放大器的放大作用被數據采集儀接受并傳到計算機設備。

圖17 牽引力測試裝置結構組成

圖18 主噴嘴處局部放大圖

4.3 實驗測試結果分析

在主噴嘴入口壓力為0.2～0.5MPa(增量為0.05MPa)下，對紗線進行牽引力測量，測量結果如圖19所示：不同氣壓下，紗線所受牽引力的仿真值與實驗值存在一定的誤差，最大誤差比為17.1%，但通過優化前后的噴嘴實驗和仿真數據對比可知，在工況一定的條件下，不論是仿真計算還是實驗測試，優化后的主噴嘴對應的紗線所受牽引力得到了提高。其中，仿真計算牽引力提高了10.6%，實驗測量牽引力提高了6.4%，驗證了優化的可靠性，提高了噴氣織機的織布效率。

圖19 主噴嘴優化前后紗線所受牽引力對比試驗結果

5 結語

1) 基于VB平臺，將參數化建模、流場數值模擬、函數關系擬合以及遺傳尋優算法集成，編制出一套針對ZAX型噴氣織機主噴嘴的優化算法,極大地提高了優化效率。

2) 通過靈敏度分析，確定了以噴嘴芯外端徑向距離V4、噴嘴芯內孔半徑V2、錐形套高度V3、環形氣室徑向高度V1、喉部長度H2為設計變量，以紗線所受牽引力為設計目標，在入口壓力為0.3MPa下，得出了在一定設計約束條件下，主噴嘴的最優結構參數組合以及紗線所受最大牽引力值fmax。發現當V4=0.65mm、V2=0.90mm、V3=1.28mm、V1=1.32mm、H2=8.16mm時紗線所受牽引力fmax=0.291N。

3) 通過3D打印，將優化前后模型進行實驗對比，驗證了此套優化算法的可靠性和優化結果的正確性。其中，主噴嘴優化前后所測得紗線牽引力值與仿真計算所得值存在一定的誤差，這是由于光敏樹脂材質的主噴嘴內部較為粗糙，而仿真時流體與主噴嘴內表面為光滑接觸，導致實驗主噴嘴內部氣流速度低于仿真流速，進而使得實驗所測牽引力值小于仿真所得牽引力值。