一种耙吸挖泥船艏喷喷嘴的结构优化方法与流程

本发明涉及耙吸挖泥船艏喷喷嘴的
技术领域：
，具体涉及一种耙吸挖泥船艏喷喷嘴的结构优化方法。
背景技术：
：大型疏浚工程愈发趋向抛、吹、喷相结合的施工工艺，以适应工程中不同的吹填要求与环境要求。艏喷是耙吸挖泥船向浅滩或岸边大量输砂的一种工艺，艏喷喷嘴特征包括出口半径、延伸段长度、特征长度、艏喷管径，艏喷喷射特性包括出口喷射速度、喷嘴应力及散落度，不同的喷嘴特征对喷射特性有很大影响。以往进行艏喷喷嘴的结构设计时，都采用全实验的确定方法。但是，采用全实验的方法实验工况多、周期长、费用大。为解决上述问题，我们做出了一系列改进。技术实现要素：本发明的目的在于，提供一种耙吸挖泥船艏喷喷嘴的结构优化方法，以克服现有技术所存在的缺点和不足。一种耙吸挖泥船艏喷喷嘴的结构优化方法，包括以下步骤：步骤1：建立耙吸挖泥船艏喷喷嘴catia模型；步骤2：将catia模型导入abaqus-part，划分网格、设置边界条件与接触面，将水单元转化为pc3dsph粒子，求解耙吸挖泥船艏喷喷嘴的喷射特性分别为，喷嘴出口喷射速度，喷嘴应力，喷射散落度；步骤3：将耙吸挖泥船艏喷喷嘴喷射特性参数化，建立参数化模型，确定参数模型中的各项系数；步骤4：利用步骤3中求解出的参数模型，建立熵权法综合评价函数，绘制综合评价函数等高线图，确定耙吸挖泥船艏喷喷嘴结构优化参数，完成耙吸挖泥船艏喷喷嘴的结构优化；其中，步骤3中，根据步骤2中的三个特性，喷嘴出口喷射速度，喷嘴应力，喷射散落度，建立参数化模型：所述喷嘴出口喷射速度的模型为，所述的喷嘴应力模型为，所述的喷射散落度模型为，式中，r为喷嘴出口半径，l为喷嘴平直延伸段长度，l为喷嘴特征长度，a、b、c、d为系数，为喷嘴喷射速度函数，为喷嘴应力函数，为喷射发散程度函数，利用步骤2所述的喷射特性计算结果确定a、b、c、d。进一步，所述步骤1中，具体通过如下步骤实现，步骤1.1:利用catia软件建立耙吸挖泥船艏喷几何模型；所述几何模型包括：喷嘴模型和进流管道模型；步骤1.2：将几何模型保存成abaqus-part导入类型的几何模型文件。进一步，所述步骤2中，具体通过如下步骤实现，步骤2.1：将几何模型文件导入abaqus-part；步骤2.2：设置材料属性、边界条件与接触面；步骤2.3：进行网格划分，水单元的网格划分类型为八节点的六面体线性单元c3d8r，设置初始时刻转化为pc3dsph粒子单元。进一步，所述步骤4中，具体通过如下步骤实现，所述的熵权法综合评价函数为，式中，为综合评价函数，w1为喷射速度指标权重、w2为应力分布指标权重、w3为喷嘴喷射发散程度指标权重，其中，w1、w2、w3通过如下公式获得，式中，eij为第i组数据的第j项指标的信息熵，n为评价指标数目。进一步，步骤4中，第i组数据的第j项指标的信息熵通过如下公式获得，式中，m为被评价对象的数目，各指标的pij值为，式中，dij为各指标标准化后的值，通过如下公式获得，dij＝(fij-minfij)/(maxfij-minfij)dij＝(maxfij-fij)/(maxfij-minfij)式中，fij表示第i组数据的第j项指标，可通过步骤2中的喷射特性计算获得。进一步，步骤1中所述的耙吸挖泥船艏喷喷嘴catia模型包括：喷嘴出口、喷嘴平直延伸段、喷嘴和进流管道，所述喷嘴出口通过喷嘴平直延伸段与喷嘴一端连接，所述喷嘴另一端与进流管道连接。本发明的有益效果：本发明针对耙吸挖泥船艏喷喷嘴，以喷嘴出口半径、延伸段长度、喷嘴特征长度、艏喷管径为母型参数，计算不同喷嘴特征参数下的喷射特性，构建出口喷射速度、喷嘴应力及散落度参数化函数，采用熵权法进行参数权重分析，形成了一套准确、快速、低成本的耙吸挖泥船艏喷喷嘴结构设计优化方法。本发明适用于耙吸挖泥船艏喷喷嘴结构的优化设计。附图标记：图1为耙吸挖泥船艏喷喷嘴的模型示意图。图2为综合评价函数等高线图。具体实施方式以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。实施例1图1为耙吸挖泥船艏喷喷嘴的模型示意图。图2为综合评价函数等高线图。一种耙吸挖泥船艏喷喷嘴的结构优化方法，包括以下步骤：步骤1：建立耙吸挖泥船艏喷喷嘴catia模型；步骤2：将catia模型导入abaqus-part，划分网格、设置边界条件与接触面，将水单元转化为pc3dsph粒子，求解耙吸挖泥船艏喷喷嘴的喷射特性分别为，喷嘴出口喷射速度，喷嘴应力，喷射散落度；步骤3：将耙吸挖泥船艏喷喷嘴喷射特性参数化，建立参数化模型，确定参数模型中的各项系数；步骤4：利用步骤3中求解出的参数模型，建立熵权法综合评价函数，绘制综合评价函数等高线图，确定耙吸挖泥船艏喷喷嘴结构优化参数，完成耙吸挖泥船艏喷喷嘴的结构优化；其中，步骤3中，根据步骤2中的三个特性，喷嘴出口喷射速度，喷嘴应力，喷射散落度，建立参数化模型：喷嘴出口喷射速度的模型为，喷嘴应力模型为，喷射散落度模型为，式中，r为喷嘴出口半径，l为喷嘴平直延伸段长度，l为喷嘴特征长度，a、b、c、d为系数，为喷嘴喷射速度函数，为喷嘴应力函数，为喷射发散程度函数，利用步骤2的喷射特性计算结果确定a、b、c、d。步骤1中，具体通过如下步骤实现，步骤1.1:利用catia软件建立耙吸挖泥船艏喷几何模型；几何模型包括：喷嘴模型和进流管道模型；步骤1.2：将几何模型保存成abaqus-part导入类型的几何模型文件。步骤2中，具体通过如下步骤实现，步骤2.1：将几何模型文件导入abaqus-part；步骤2.2：设置材料属性、边界条件与接触面；步骤2.3：进行网格划分，水单元的网格划分类型为八节点的六面体线性单元c3d8r，设置初始时刻转化为pc3dsph粒子单元。具体而言，其中，材料属性设置：喷嘴的材料性质为304不锈钢，其密度为7.8×103kg/m2，弹性模量为206gpa，泊松比为0.3；水的材料特性通过us-up形式的mie-grüneisen状态方程来定义，参照密度ρ0＝1×103kg/m2，声速c0＝1450m/s，参数s＝γ0＝0.水的动力粘度1×10-3pa·s。网格划分：在mesh模块中，分别对喷嘴和水进行网格划分。喷嘴的单元类型设置为c3d4，一种四节点的四面体单元；弯管处网格较密，单元尺寸为60mm；其余部分网格较疏，单元尺寸为95mm。将水的单元类型设置为c3d8r，一种八节点的六面体线性单元，并规定其在初始时刻转化为pc3d单元，即sph粒子单元。每个母单元在每个等参数方向上生成的粒子数量设置为1，采用的核函数类型设置为三次样条函数(cubic)，这一过程可以使液体单元在仿真过程中的特定时刻转化为无网格的粒子单元。仿真时间设置为6s，以便完整模拟喷射轨迹。将水与喷嘴和弯管之间的接触特性定义为法向硬接触(hardcontact)和切向无摩擦(frictionless)。喷嘴和弯管部分整体固定在其底座的法兰盘处，令液体从进流管道以5m/s的恒定速度流入喷嘴，在喷嘴中加速后从出口喷出。步骤4中，具体通过如下步骤实现，熵权法综合评价函数为，式中，为综合评价函数，w1为喷射速度指标权重、w2为应力分布指标权重、w3为喷嘴喷射发散程度指标权重，其中，w1、w2、w3通过如下公式获得，式中，eij为第i组数据的第j项指标的信息熵，n为评价指标数目。步骤4中，第i组数据的第j项指标的信息熵通过如下公式获得，式中，m为被评价对象的数目，各指标的pij值为，式中，dij为各指标标准化后的值，通过如下公式获得，dij＝(fij-minfij)/(maxfij-minfij)dij＝(maxfij-fij)/(maxfij-minfij)式中，fij表示第i组数据的第j项指标，可通过步骤2中的喷射特性计算获得。其中，上述这个概念其具体计算过程为：通过abaqus计算每个模型的喷射特性时获得了pij值。而pij值即为速度、应力和发散程度在模拟过程6s内所得数据的平均值。我们例举5组pij值：速度应力发散程度450-00.44610.00880.2975450-3000.49940.00000.3190545-00.00000.34460.0000545-1500.01400.33920.1864545-3000.04050.30740.1971通过公式计算，得出对应的dij值：速度应力发散程度450-00.89330.02560.9326450-3001.00000.00001.0000545-00.00001.00000.0000545-1500.02800.98420.5843545-3000.08100.89180.6180再根据之前的三个指标的权重为w1＝0.4968、w2＝0.3283、w3＝0.1749，最终，根据综合评价函数绘制综合评价函数等高线图，由等高线图反应综合评价效果如图1所示，步骤1中的耙吸挖泥船艏喷喷嘴catia模型包括：喷嘴出口100、喷嘴平直延伸段200、喷嘴300和进流管道400，喷嘴出口100通过喷嘴平直延伸段200与喷嘴300一端连接，喷嘴300另一端与进流管道400连接。在本实施例中，根据步骤2，abaqus计算数据，获得不同喷嘴出口处喷射速度(单位：m/s)：不同喷嘴最大应力结果(单位：mpa)：不同喷嘴出口处发散程度(单位m/s)：喷嘴型号沿管道轴向速度分量沿管道径向速度分量比例450-033.37820.23940.0072450-30034.79250.22800.0066545-021.57410.33500.0155545-15021.95320.22700.0103545-30022.64990.22720.0100由仿真结果可以看出，喷嘴出口直径对喷射速度的影响要大于平直延伸段。用以下统计公式对喷嘴喷射速度函数进行拟合。根据喷嘴出口喷射速度的模型，由于有五组数据，而只用求解四个参数(a,b,c,d)，故需要求解矛盾方程的正规化方程。ata[x]＝at[v]解出喷嘴喷射速度函数为：由仿真结果可以看出，喷嘴出口直径对喷嘴应力的影响要大于平直延伸段。用以下统计公式对喷嘴应力函数进行拟合。根据喷嘴应力模型，由于有五组数据，而只用求解四个参数(a,b,c,d)，故需要求解矛盾方程的正规化方程。解出喷嘴应力函数为：由仿真结果可以看出，出口直径与喷嘴平直延伸段对发散程度的影响都比较大。用以下统计公式对喷射发散程度函数进行拟合。根据喷射散落度模型，由于有五组数据，而只用求解四个参数(a,b,c,d)，故需要求解矛盾方程的正规化方程。解出喷射速度发散程度函数为：由所得仿真函数，进行优化设计。这是一个多指标综合评价问题，关键在于如何合理确定各个指标的权重。选用客观权重赋权法中的熵权法，求解各指标权重。对上述中获取的数据采用下式进行标准化，获得指标矩阵标准化结果：计算第j项指标的信息熵：其中，m为被评价对象的数目(本实施例m＝5)，n为评价指标数目(本实施例n＝3)。获得各指标的pij值：喷嘴型号速度应力发散程度450-00.44610.00880.2975450-3000.49940.00000.3190545-00.00000.34460.0000545-1500.01400.33920.1864545-3000.04050.30740.1971计算各指标客观权重，三个指标的权重结果为w1＝0.4968，w2＝0.3283，w3＝0.1749。如图2所示：通过下式计算综合评价函数，以此绘制综合评价函数等高线图，以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。当前第1页12