引用論文

姚靜, 李曼迪, 張熙堃, 郭琪, 李想, 張昊. 增材制造流道低壓損短路徑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(22): 271-281.

YAO Jing, LI Mandi, ZHANG Xikun, GUO Qi, LI Xiang, ZHANG Hao. Design Optimization Method for Low-pressure-loss and Short-path Additive Manufactured Flow Channel[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(22): 271-281.

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液壓集成塊內(nèi)部流道是液壓系統(tǒng)承載壓力、傳遞動(dòng)力的重要載體，然而其受限于減材制造，導(dǎo)致體積重量大、工藝孔多、壓力損失較大等問(wèn)題，嚴(yán)重影響移動(dòng)裝備液壓系統(tǒng)功重比。針對(duì)上述問(wèn)題，燕山大學(xué)姚靜教授團(tuán)隊(duì)提出基于快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)(Rapid-exploration random tree,RRT)算法與貪心算法的面向增材制造成型的多向異形連接區(qū)域最短流道路徑設(shè)計(jì)方法，然后采用伴隨優(yōu)化方法對(duì)最短路徑流道進(jìn)行基于壓力損失的形狀敏感度優(yōu)化，最后使用選區(qū)激光熔融技術(shù)成形低壓損最短路徑流道，并搭建壓力損失測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)伴隨優(yōu)化后的某電靜液驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器(Electro-hydrostatic actuator,EHA)集成塊流道軸線路徑縮短了49.6%，且油液流動(dòng)順暢，流道內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)范圍與強(qiáng)度較??；同時(shí)，試驗(yàn)表明伴隨優(yōu)化后的流道在不同通流狀態(tài)下，平均壓損降低了75.04%。研究成果將為增材制造成形的液壓集成塊流道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新思路 。本文作為《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025年第22期的封面文章發(fā)表，期望相關(guān)工作為研究提供參考。

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研究背景及目的

為了提高機(jī)動(dòng)性能、增加續(xù)航能力和提升載荷能力，移動(dòng)裝備液壓系統(tǒng)迫切需要實(shí)現(xiàn)輕量化。液壓集成塊作為液壓系統(tǒng)的重要液壓部件，由于其受限于傳統(tǒng)減材加工制造工藝限制，體積重量較大，且內(nèi)部包含復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)，流道路徑較長(zhǎng)、含直角彎，工藝孔和盲孔較多，導(dǎo)致流道壓力損失較大，不僅影響移動(dòng)裝備液壓系統(tǒng)能耗，還制約了移動(dòng)裝備液壓系統(tǒng)功重比提升，因此急需探討新工藝實(shí)現(xiàn)減體增效。

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論文亮點(diǎn)

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了基于RRT算法與貪心算法的面向增材制造成型的多向異形連接區(qū)域最短流道路徑設(shè)計(jì)方法，然后采用伴隨優(yōu)化方法對(duì)最短路徑流道進(jìn)行基于壓力損失的形狀敏感度優(yōu)化，最后搭建壓力損失測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明重新設(shè)計(jì)的EHA液壓流道極大的降低了壓力損失，說(shuō)明了本文所提出的增材制造低壓損最短路徑流道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。

圖1 多向異形連接區(qū)域示意圖

圖2 某電液執(zhí)行器液壓集成塊抽取的初始流道

(a) 形狀敏感度

(b) 速度流線

圖3 最短路徑流道與伴隨優(yōu)化后流道對(duì)比

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實(shí)驗(yàn)方法

利用SLM技術(shù)成形了初始流道、最短路徑流道、以及伴隨優(yōu)化后流道，并為了保證打印的多向異形鏈接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)與測(cè)壓閥塊的鏈接，對(duì)三種流道的螺紋連接處進(jìn)行了成形設(shè)計(jì)；然后在搭建的壓力損失測(cè)試平臺(tái)下，測(cè)試了三種流道的入口、出口間壓力損失，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明在五種不同流量結(jié)果下，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果壓損相差較小，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖 4 試驗(yàn)平臺(tái)整體搭建

圖5 金屬增材制造流道模型

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結(jié)論

伴隨優(yōu)化后的某EHA集成塊流道軸線路徑縮短了49.6%，且油液流動(dòng)順暢，流道內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)范圍與強(qiáng)度較小；同時(shí)，試驗(yàn)表明伴隨優(yōu)化后的流道在不同通流狀態(tài)下，平均壓損降低了75.04%。此研究成果及其方法將為增材制造成形的液壓集成塊流道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新思路。

作者介紹

姚靜，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)/教授，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才，河北省重型機(jī)械流體傳動(dòng)及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，一直致力于高端裝備電液傳動(dòng)系統(tǒng)及其核心液壓元件高效節(jié)能設(shè)計(jì)研究，主要包括大功率液壓伺服系統(tǒng)節(jié)能與控制關(guān)鍵技術(shù)、高效除氣除雜異形液壓油箱設(shè)計(jì)技術(shù)、高性能液壓控制閥設(shè)計(jì)及其高精度測(cè)試技術(shù)等研究，獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)。榮獲河北省教書育人楷模、河北省教學(xué)名師、河北省優(yōu)秀教育工作者等，獲省級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)2項(xiàng)。

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團(tuán)隊(duì)研究方向介紹

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為姚靜教授，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才。團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人為孔祥東教授，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)流體傳動(dòng)與控制分會(huì)榮譽(yù)主任委員、國(guó)務(wù)院特貼專家。團(tuán)隊(duì)有15名教師，其中國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才2名，國(guó)家級(jí)青年人才3名，現(xiàn)有在讀博碩研究生200余名 。

團(tuán)隊(duì)主要科研方向?yàn)橹匦脱b備電液伺服系統(tǒng)高精度控制方法、超高壓大流量核心液壓元件研發(fā)、液壓元部件輕量化設(shè)計(jì)、重載機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及控制、工程機(jī)械數(shù)字孿生及診斷技術(shù)、可穿戴傳感及微流控芯片等。團(tuán)隊(duì)入選機(jī)電液一體化國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊70周年突出貢獻(xiàn)團(tuán)隊(duì)，也是全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)的核心組成部分。

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近兩年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1] Pei Wang, Yuwang Cheng, Matti Linjama, Jing Yao*, Dongsheng Shan. A novel equivalent continuous metering control with a uniform switching strategy for digital valve system. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2023.

[2] Shuaizhong Zhang#, Xinghao Hu#, Meng Li#, Ugur Bozuyuk, Rongjing Zhang, Eylul Suadiye, Jie Han, Fan Wang, Patrick Onck, Metin Sitti*. 3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability. Science Advances, 2023.

[3] Kaixian Ba, Guijiang Liu, Guoliang Ma*, Chunhao Chen, Liaoyuan Pu, Xiaolong He, Xin Chen, Yuan Wang, Qixin Zhu, Dakai Wang, Linpeng Liu, Bin Yu*, Xiangdong Kong, Zhiwu Han*, Luquan Ren. Bionic perception and transmission neural device based on a novel self-powered concept. Cell Reports Physical Science, 2024.

[4] Shuai Yang, Jing Yao*, Pei Wang, Pengyuan Zhang, Tengfei Wei, Dongming Li. A novel Dual-Magnetic circuit actuated Fast-Switching valve with Multi-Stage excitation control algorithm. Measurement, 2024.

[5] Pei Wang, Yuxin Zhang, Matti Linjama, Liying Zhao, Jing Yao*. Fault identification and localization for the fast switching valve in the equal-coded digital hydraulic system based on hybrid CNN-LSTM model. Mechanical Systems and Signal Processing, 2025.

作 者：姚 靜

責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對(duì)：張 強(qiáng)

審 核：張 彤

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