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线性热传导温度场快速优化方法及其在电热板优化中的应用

专 业: 机械设计及理论
关键词: 电热板 优化算法 线性热传导 温度场 叠加原理 有限元分析
分类号: TK17
形 态: 共 57 页 约 37,335 个字 约 1.786 M内容
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内容摘要


在传热学领域,传统的“由因及果”的正问题,在理论、算法及应用研究上已经比较完备,与之相对应的反问题则要复杂困难的多。

一定条件下,某些反问题可转化为优化问题进行求解,但是计算量大效率低。

热板是橡注机、注塑机、硫化机等的关键部件。

目前一般注射机中所使用的热板,以电热管为热源,安装在热板中适当的位置加热。

热板的主要性能指标是要求表面温差尽可能小。

但目前工程中实际应用的热板很难达到要求。

热板问题是典型的反问题,同时也是一个典型的线性热传导问题。

研究解决这一类问题的快速有效方法,具有重要的价值。

本文研究了线性热传导问题的基本特点,给出了线性热传导问题叠加原理,并在此基础上提出了一种线性热传导温度场优化快速算法。

应用这一快速优化算法并与有限元CAE技术结合,优化了热板的功率分布,并与传统正交试验法进行了比较。

最后设计了实验方案进行实验,验证了分析结果和优化结果的正确性。

研究结果解决了热板表面温差过大的问题。

主要研究内容包括:

1、线性热传导叠加原理。

根据线性系统的一般特点,推导了线性热传导系统的叠加原理。

在线性热传导系统中,当初始温度、边界热流和边界对流同时存在时,可以分别单独考虑各个条件作用时的解,然后把它们叠加起来。

2、线性热传导温度场快速优化算法。

在线性热传导叠加原理的基础上,提出了一种快速优化算法,大大节约了计算时间。

传统优化方法需要在问题的整个解空间中进行搜索迭代,每次迭代都需要求解问题的有限元模型,计算量非常大。

本文提出的快速算法充分利用了线性热传导系统的叠加原理,只需根据优化的目标变量求解特定的有限元模型,然后求解简单的代数方程即可得到优化结果,计算效率大大提高。

3、热板温度场有限元分析。

建立了热板问题有限元分析模型,包括几何建模、模型简化、载荷与边界条件处理等。

分析结果与企业现状和实验结果相符,为下一步的优化设计打下基础。

4、热板温度场优化。

应用了本文提出的快速优化算法对电热管功率分布进行优化设计。

以8段电热管的功率分布作为目标变量,只需求解8次热板有限元模型,然后求解一个代数方程组即得到优化结果。

作为比较,应用了正交试验法进行优化设计,在一个简化的试验方案下,需要求解25次有限元模型。

结果显示,快速优化算法正确有效,与正交试验法相比效率大大提高。

5、热板温度场实验。

设计实验方案,搭建实验平台进行了实验。

第一组实验显示了热板问题的特点及存在的问题,验证了本文热板有限元分析结果的正确性。

第二组实验验证了快速优化算法结果正确有效..……

全文目录


文摘
英文文摘
第1章 绪 论
1.1课题的提出
1.2国内外研究现状
1.3研究目的与研究内容
1.3.1研究目的
1.3.2研究内容
第2章 热传导基本理论与有限单元法
2.1热传导基本理论基础
2.1.1传热学与三大传热方式
2.1.2傅里叶定律与导热微分方程
2.2有限单元法
2.2.1泛函的变分与加权余量法
2.2.2三维稳态热传导有限元一般格式
2.2.3三维瞬态热传导有限元一般格式
2.3优化设计与正交试验法
2.3.1优化设计概述
2.3.2正交试验法
2.4小结
第3章 线性热传导温度场快速优化算法原理
3.1线性热传导问题
3.2线性热传导叠加原理
3.2.1热流叠加原理
3.2.2对流叠加原理
3.2.3综合叠加原理
3.2.4算例验证
3.3线性热传导温度场快速优化算法
3.3.1算法原理与步骤
3.3.2算法优点
3.3.3范数选择
3.4准线性系统与线性化
3.5小结
第4章 热板温度场有限元分析
4.1热板问题概述
4.2热板问题特点
4.3几何建模
4.4基本假设
4.4.1热源模型基本假设
4.4.2传热模型基本假设
4.4.3瞬态假设
4.5有限元建模
4.6传热模型
4.6.1边界条件
4.6.2材料及工况载荷定义
4.7有限元模型求解
4.8小结
第5章 热板温度场优化
5.1优化方案
5.2敏度分析
5.3快速温度场优化
5.3.1优化步骤与结果
5.3.2优化结果有限元仿真
5.4传统优化方法比较
5.4.1热板优化问题正交试验法概述
5.4.2结果比较
5.5小结
第6章 实验与验证
6.1实验目的
6.2实验设备
6.3实验方法
6.4实验步骤
6.5实验平台
6.6实验结果与分析结果对比
6.6.1实验一
6.6.2实验二
6.7小结
第7章 总结与展望
7.1总结
7.2展望
参考文献

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中图分类: > TK17 > 工业技术 > 能源与动力工程 > 热力工程、热机 > 工业用热工设备

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