液力变矩器叶栅数据库模块化封装集成设计方法研究

魏 巍, 李 春， 刘博深

(1.北京理工大学 车辆传动国家重点实验室，北京100081；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

液力变矩器叶栅数据库模块化封装集成设计方法研究

魏 巍1,2, 李 春2， 刘博深2

(1.北京理工大学 车辆传动国家重点实验室，北京100081；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

在开展液力元件叶栅系统设计时，仅包括叶形参数化、束流计算或三维流动分析、性能的优化与优选的全新正向设计是不够全面的，还应将以往成熟设计结果纳入设计体系共享，以提高设计精度，有效避免信息孤岛现象的出现.通过对设计存量资源的整理和发掘，分别构建叶片几何结构数据库和传动性能计算及试验结果数据库，实现两类数据库之间映射关系的设计过程模块化封装，将正向设计的建模、计算和优化等过程，以及逆向设计的数据采集和曲面重构等环节，分别集成到基于数据库技术的设计平台之上，为实际工程设计提供较为完整的设计手段.这个平台一方面可以为基型设计和统计设计提供了多个较为成熟的现有叶栅系列及其性能参考，另一方面基于数据库中已有大量得到验证的叶栅配置，在优化搜索过程中能够有效地缩减正向计算规模，提升设计精度.

流体传动与控制；液力元件；数据库；模块化封装；集成设计

在工业产品研发阶段中，会产生大量记录研究过程中关键信息的数据，借助数据库和产品数据管理(PDM)等技术，可以将这些研发产品的相关数据有序组织、存储、获取和管理[1]，实现对这些关键信息进行处理、分析和理解[2]；而对伴随着这些数据产生的设计过程的组织、调度和管理，则为产品相关信息的有效宏观管理和控制提供了可能，同时也为基于知识工程的产品研发并行协作环境的建立提供了条件.

但如何整理既有研究基础及其对应的设计数据信息，与现代设计流程组织有效结合，形成构建于大量存量资源基础之上的产品设计与过程管理方法，以提升设计水平和产品精度，是众多研究人员难以回避的重要问题，也是在液力元件叶栅开发过程中亟待解决的课题.如Beichley和Kost[3]将CAD系统与交叉学科数据库与三维实体建模方法相结合，建立了一个集成的绘图、设计与分析系统，避免了建模和仿真流程的间隙，从而提高了设计效率.Paquet和Rioux[4]则在三维模型和图像数据库管理研究中，提出了一种新高效检索方法.El-Hefnawy和Somia[5]则直接依据数据库技术而非传统数学公式拟合，对三维模型表面进行建模，构建的智能数据库管理系统能够在不包含特定值时对特定数据库进行操作.

早期的液力元件的研发主要凭借经验公式和统计数据，以及大量样机加工和实验的试误法来筛选、改进和定型设计.经典的一维束流理论框架下，引入的理想化假设导致预测的性能与实验结果差别较大，因此引入了大量经验修正系数.在此基础上，形成了众多系列的液力元件叶栅系统.随着计算流体动力学技术和相应软件的发展，三维流动设计在液力元件产品研发过程中扮演着越来越重要的角色，从验算束流设计结果的辅助工具逐渐过渡到联系几何参数与设计性能的决定性方法，并与优化设计技术相结合，实现叶栅系统的全三维设计[6-7].同样，在三维优化设计过程中涉及的大量样本点的计算，以及对优化结果的样机验证试验，也形成了大量能够满足车辆等行业使用需求的几何参数和性能参数数据[8-11].

文中首先对既有存量资源中循环圆、叶形、叶片等几何结构和性能参数的专用数据库开展顶层设计，基于SQL server建立了各数据库，并由商用软件EASA对数据库进行封装，实现数据库模块在设计平台上的集成；其次分析流线形和等厚叶片的叶栅系统三维几何建模过程，编制了对应的设计程序并完成封装嵌入设计平台；然后以束流设计计算方法为例，编制对应计算程序并完成封装，并与数据库模块相结合，实现几何结构数据库与传动性能数据库之间的关联和映射.通过上述的封装和集成过程，将以往设计经验和既有数据高度集成，藉由图形化界面实现各类数据在整个设计流程中的共享，有效避免信息孤岛[12]的存在，在为新产品设计提供参考的同时，也为优化设计提供性能计算的标定，能够缩减计算规模和提高设计精度.

1 数据库模块及其构成

存量资源数据是开展新型号叶栅设计的基础，在对其的模块化封装过程中，首先需要根据液力元件叶栅系统的结构特征，开展对应数据库的构架设计和数据标准接口设计，以便实现大量数据的批处理入库，而后实现数据库与集成设计平台的动态关联，并且这种关联关系能够体现在图形化检索界面中.系统则是实现数据库软件SQL server与封装流程管理软件EASA的关联配置与集成.

在对液力元件叶栅数据特点分析后，其数据库的设计应涵盖以下几个方面的内容：空间叶片实体数据、轴面图循环圆数据、二维展开图叶形数据，以及叶栅对应的原始特性数据.叶栅数据库构架见图1.

叶片数据，包括特定型号正向设计中基于循环圆数据和叶形数据建模获得的叶片实体及其叶片数目，也包括由逆向工程测绘扫描获取特定型号的叶片实体及其叶片数目.虽然通过对后者的解构，可以得到对应的循环圆和叶形数据，但由于不同类型叶栅系统叶片构造假设和方法的不同，通过获得数据再进行正向建模可能会存在一定的偏差，需要对建模方法进行一定的适应性调整.叶片实体模型是叶片数据库的基本元素，通过对三维建模软件的封装，可以通过设计平台界面由叶片实体的存储地址直接调用建模软件.

循环圆数据和叶形数据，根据液力变矩器制造工艺的不同分为铸造型和冲焊型两类.其中循环圆数据库主要存储各型号液力变矩器泵轮、涡轮和导轮的循环圆轴面设计参数，如内、外环和中间流线拟合圆弧的圆心位置和坐标，内、外环和中间流线入出口边位置，对于扁平循环圆等较为特殊的循环圆则存储内、外环和中间流线的轴面样条坐标值等参数；叶形数据库主要存储内、外环和中间流线的叶片入、出口角等相关叶片形状参数.

图1 液力元件叶栅数据库构架

特性数据包括对应于给定型号的叶片数据、循环圆数据和叶形数据的叶栅系统的计算或实验稳态原始特性，包括效率曲线、变矩比曲线、泵轮转矩系数或公称转矩系数曲线等.

基于层次嵌套关系模型，构建以上数据库的数据表间逻辑关系，见图2.

其中所谓“层次”，是通过数据库中数据表与数据表之间的关系体现出来的，例如液力变矩器数据表是叶形数据表的上一层，而叶形数据表又是铸造型泵轮叶形数据表的上一层.而对于模型中的“关系”，则是通过单张数据表中的行与列之间的对应所体现出来的.按照这种层次的划分，整个液力变矩器数据库可以分为5层.在确定导入数据标准接口后，编制各型号液力元件数据卡片，按照分层原则将既有数据批处理或逐一导入数据库中.

图2 液力变矩器数据库数据的数据表间逻辑关系图

2 叶形设计模块

叶形设计模块封装的前提，是叶形的参数化设计.在实现叶栅系统数据库构建后，需要编制灵活稳健的参数驱动设计程序，来实现叶形设计功能的模块封装.以具有流线形特征的铸造型液力变矩器叶栅系统为例，介绍对应叶形参数设计模块并实现封装和集成.

流线形叶栅系统的叶形设计过程，在系统中采用样条拟合参数设计方法[13]实现.通过对这一过程的封装及其界面设计，调用对应数据库中记录作为输入，驱动封装后的叶形设计模块，并将设计结果存入三维叶片实体模型、二维循环圆和二维展开图叶形模型中.

在叶形参数设计模块中，需要包含以下几个功能：1)参数导入功能，对于液力元件中承担多个不同功能的多组叶栅，应根据其循环圆和展开图构造特点设计对应界面；2)信息编辑与提交计算功能，对单次输入或数据库调用的数据，进行冗余信息判断和有效信息筛选提取，并将输入的数据提交给后台建模程序，驱动对应封装后的科学计算软件和CAD软件建模；3)结果显示功能，系统显示计算得到设计图形化建模结果的同时，列出对应的关键数据以便对照设计.图3为某型号铸造型液力变矩器叶形数据参数导入界面.

图3 铸造型叶栅系统叶形设计参数导入界面

3 特性计算模块

液力元件原始特性的获取，一方面可以由实验测得数据及其修正公式直接给出，另一方面可以根据已知叶栅结构参数以及运行工况，通过一维束流计算或三维流动分析对原始特性进行预测来获得.

这里以较易实现的束流计算[14]为例开展程序编制和封装，与叶形设计模块类似，由叶栅数据库提供驱动特性计算的有效数据，通过对封装后特性计算模块的调用，以实现集成设计平台中对原始特性的预测.在特性计算模块中，需要集成如下功能：1)基本计算所需参数的输入或批处理导入，并且需要对基本参数进行无因次化，以便进行无因次化的能量平衡计算；2)各叶轮能头的计算和叶轮能头摩擦损失和冲击损失的计算，根据已有原始特性实验结果，标定对应类别液力元件随速比和输入转速变化的摩擦损失系数和冲击损失系数，并拟合对应经验公式；3)循环流量系数计算，和在此基础上的效率、变矩比和转矩系数等原始特性参数计算.图4为特性计算模块的参数输入和结果输出交互界面.

图4 特性计算模块的参数输入和计算结果显示界面

4 结 论

1)构建了集成和封装以往成熟设计结果数据库、参数实体建模和原始特性计算等模块的数据库驱动型液力元件集成设计平台，充分利用了既有存量资源和设计基础，实现了设计重要信息的模块间充分共享，为液力元件叶栅系统的开发提供了较为完整的设计手段.

2)通过对叶栅系统结构特性的分析，确定了数据库模块的层次嵌套关系模型，设计了数据库构架及其数据标准接口，利用SQL Server开发了变矩器专用数据库，实现了与集封装与流程管理软件EASA的关联配置和集成.

3)集成了三维叶形设计和束流特性计算等功能模块，为后续三维流动分析和优化算法等功能模块的集成奠定了基础.

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[14]杨凯华. 牵引-制动型液力变矩器理论及特性计算[D]. 北京:北京理工大学,2001.

Study on Integrated Design of Cascade Databse Modular Encapsulation for Hydraulic Torque Converter

WEI Wei1,2, LI Chun2, LIU Bo-shen2

(1.National Key Lab of Vehicular Transmission, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China; 2.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

In the process of designing the cascade system, a new forward design is not comprehensive enough only including the blade parameterized modeling, the beam flow calculation or three-dimensional flow analysis, and the optimization of the performance. The design system should be shared with the previous results so as to improve the design precision and avoid the information island phenomenon. According to the existed design materials, both a blade geometry database and a database of containing its performance calculation as well as testing results are built respectively. The design process module with the mapping relationship between the two types of databases is encapsulated. The processes of modeling, calculation and optimization in forward design, and the procedures of data acquisition and surface reconstruction in reversal design are integrated into a platform based on the database technology, providing a set of more complete approach for the actual engineering design. The platform can also provide a number of references of the existing cascade series both in geometry parameters and in performance indexes for the basic and statistical design. Based on a large number of the verified cascade configuration in the database, the scale of forward computation can be effectively reduced and the design precision be improved in the optimization search process.

fluid transmission and control; torque converter; database; modular encapsulation; integrated design

1009-4687(2015)04-0005-05

2015-5-8

国家自然科学基金青年科学基金项目(50475041)；车辆传动国家重点实验室基金项目(9140C340502120C34126)；国家部委基础产品创新科研基金资助项目(VTDP-2104)；部级预研项目(40402050202)

魏 巍(1978-)，博士，副教授，研究方向为车辆传动及液力传动技术.

TH137.332

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