優(yōu)化設計論文精選(九篇)

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第1篇：優(yōu)化設計論文范文

在噴泉方案設計的過程中，有一條基本原則貫穿始終：結(jié)合城市的歷史文化背景、經(jīng)濟發(fā)展狀況、自然氣候條件，充分表現(xiàn)出噴泉景觀的獨特藝術魅力。噴泉景觀工程并不是獨立存在的，而是作為整體景觀的一部分出現(xiàn)在出現(xiàn)在大型廣場、公園、步行街、小區(qū)花園等場合。方案設計一定要依據(jù)建設方的整體要求，重點考慮當?shù)氐沫h(huán)境因素、氣候因素、使用場合和方式因素，進行整體的構(gòu)思，設計出整套可行科學的實施方案，城市整體效果服務。因此要把準備工作做精做細，主要有以下幾方面：

（1）方案主題結(jié)合當?shù)氐奈幕厣?。每個城市都有自己的人文背景和民俗特色，噴泉方案設計時一定要結(jié)合當?shù)孛袼滋攸c，挖掘當?shù)貧v史背景，緊扣當?shù)匚幕瘍?nèi)涵。結(jié)合音樂噴泉構(gòu)成元素，突出主題。首先，燈光配色方案要符合地方特色。如在內(nèi)蒙古地區(qū)要體現(xiàn)出草原文化，用主題色選擇綠色和藍色分別呼應遼闊的草原和蔚藍的天空；在延安地區(qū)就要展示紅色文化，用紅色作為主題色。其次，在水型搭配方面突出文化主題。在新疆瑪納斯紅酒文化主題廣場的音樂噴泉設計時，為了體現(xiàn)紅酒主題，特別研制了紅酒杯噴頭，布成從內(nèi)到外5層紅酒塔，結(jié)合不用的燈光和角度照射，使其遠看像一個裝滿美酒的木酒桶，近看像一個裝滿紅酒的紅酒杯。為當?shù)刂黝}公園的一個標志性水體，獲得了極大的成功。再次，用音樂來呼應主題。噴泉是一個結(jié)合了視覺藝術和聽覺藝術的綜合體，音樂也是有生命的，或低吟，或傾訴、或歡唱。當音樂與水融合在了一起，共同表現(xiàn)出一個共同的主題。更容易抓住觀眾的眼睛，引起思想上的共鳴。

（2）了解噴泉景觀周圍的環(huán)境特點，使噴泉景觀與周圍環(huán)境融為一體。噴泉坐落的不同位置，選擇水型、燈光搭配，音響配置都是不同的。在步行街、小區(qū)花園等場合，盡量選擇高度比較低，水落點可控的造型，例如水母、雪松、涌泉、蒲公英等等。有人水互動要求的工程必須要充分考慮水的壓力因素，防止由于水壓過高和意外情況造成人身傷害危險。那些建設在河流胡泊中的噴泉景觀，由于與觀眾的距離較遠時，盡量選擇一些粗壯、高大水型樣式，體現(xiàn)水的力量和氣勢。例如百米高噴、擎天巨柱等。了解當?shù)氐臍夂颦h(huán)境因素。中國復原遼闊，環(huán)境差距特別大。北方多風的地區(qū)多選擇一些抗風性比較好的水柱造型，并適當加粗出水口徑；而南方相對風較小的地區(qū)多選擇一些水膜，水幕電影方面的水型；針對水位穩(wěn)定性比較好的地方可以選擇雪松或者涌泉水型；水位變動大的地方選擇跌水或者波浪脈動水型。

（3）根據(jù)景觀工程的總體要求，制定切實可行的設計方案。不同類型的噴泉對應不同的功能性。是把噴泉做成一個點綴環(huán)境的噴泉小品，還是作為一臺綜合性的音樂噴泉演出盛宴；是全天候使用還是在主要用于夜間；在噴泉設計初期一定要有明確的意見。每一位噴泉設計師在收到設計任務后，都會根據(jù)景觀的總體風格，結(jié)合考慮總體的投資額度，提出初步的方案，做出效果圖和演示動畫，模擬噴泉施工完成后的具體情況，給建設方提供直觀的具體的印象，然后再酌情調(diào)整，最終定稿。噴泉工程實踐中有種說法是“大投入大制作，小投入湊合做，不投入沒法做”，這就是說對于噴泉工程的方案確定，一定要看菜做飯，切實可行。

（4）充分了解自身噴泉設備的特點。有句話叫“沒有金剛鉆，別攬瓷器活”，對本公司在噴泉工程設計施工中的優(yōu)勢和不足一定要有充分和客觀的認識。在噴泉設備選擇，電氣管路設計安裝、水型選擇和搭配方面、控制系統(tǒng)確定方面一定要充分和本公司的專業(yè)人士充分論證，揚長避短。在遇到與建設方意見不一致的地方要做好解釋工作。不能拍腦門硬上，給后期工作埋下隱患。

2噴泉方案優(yōu)化設計中容易出現(xiàn)的問題

（1）效果圖和效果動畫夸張成分太多，脫離的實際。建設方在景觀工程建設前的準備階段，對噴泉效果期望值非常高，但是只停留在概念方面，并沒有太具體的形象。而銷售人員為了更好的取悅建設方，在效果圖和效果動畫的方案制作方面過分的夸張，脫離了水和光的變化的物理規(guī)律，造成工程建設完成后無法重現(xiàn)動畫效果，影響工程整體的進度，也影響了公司信譽。

（2）片面追求方案匯報效果而放棄表演效果。在噴泉實踐當中，我們經(jīng)常遇到的情況是投資預算上封頂不能動，為了噴泉方案做的漂亮，就片面的增加水型組合數(shù)量，增加噴頭數(shù)量，增加配套設備，表面工作做的特別漂亮。但是為了保證正常的利潤水平，在一些不突出的地方減低配置水平，增加利潤點。比如把通過計算最合理的噴頭口徑為Φ20，可是這樣做的話明顯超出預算，于是就把口徑縮小到Φ15，進一步能減少水泵的功率、電纜型號、控制設備規(guī)格。這樣盡管和諧了方案效果和預算投入問題，但是卻嚴重影響了噴泉的藝術表現(xiàn)力。

（3）噴泉水型布局不合理，數(shù)量雖多但效果不突出。這個問題在幾乎在每個噴泉工程中都有體現(xiàn)。我在噴泉效果編程經(jīng)常遇到一個困惱：表面用于表現(xiàn)藝術效果的設備很多，可是具體使用的時候又總不夠用。以河南南陽音樂噴泉為例，圓形噴泉中心三米的園內(nèi)集中了飛碟，海鷗，高射三種造型，飛碟和海鷗都是搖擺的造型，占的空間比較大，高射水型對噴高的要求比較高。這三種水型兩兩干擾，同時打開時形成一片水霧，什么都看不出來，更別提各自的藝術性了。在噴泉表演時，只能有各自獨立打開3種組合效果，如果在方案設計時把這三個水型的位置合理安排就可能出現(xiàn)3種獨立組合效果+3種兩兩組合效果+加全開效果共7種組合造型，極大的豐富了表演元素，提升藝術效果。

（4）主題特色不突出，缺乏與周圍環(huán)境的整體配合。在景觀總體規(guī)劃的指導下，根據(jù)安裝現(xiàn)場周圍環(huán)境進行詳細的規(guī)劃設計，結(jié)合周圍景觀的特點、氛圍、環(huán)境和人文因素的相互關系，確立要營造的氣氛，根據(jù)特點提煉景觀主題，進一步確定主要的水型表演元素，次要元素和背景元素?？梢詮乃透叨?、燈光亮度、顏色襯托等多種手段來突出主角，弱化配角，讓整個噴泉看起來更加立體。

第2篇：優(yōu)化設計論文范文

1.1ICA尋優(yōu)的一般過程

與其他優(yōu)化算法類似，ICA開始于在搜索空間內(nèi)隨機生成的一定數(shù)目的初始解。每一個初始解都被稱為一個國家，由優(yōu)化問題目標函數(shù)來評價這些國家的優(yōu)劣程度。其中一定數(shù)目的最優(yōu)秀的國家被視為帝國主義國家，其他國家被視為殖民地國家，并且被隨機分配給帝國主義國家,一個帝國主義國家及其下屬的殖民地國家組成一個帝國集團。在分配殖民地國家給帝國主義國家時，每個帝國主義國家分配到的殖民地國家的數(shù)目與它的優(yōu)秀程度成正比。如果某殖民地國家向帝國主義國家移動后，其新位置比帝國主義國家更優(yōu)秀，則需要互換該殖民地國家和帝國主義國家的位置。各個帝國集團之間會以競爭的形式爭奪殖民地國家，從而壯大自身的勢力。該過程如下：首先，計算每個帝國集團的總勢力（該集團中帝國主義國家的勢力與所有殖民地國家勢力的平均值的一部分之和），然后，當前勢力最弱的帝國內(nèi)部的最弱的殖民地國家將被置為自由狀態(tài)；所有的帝國集團通過競爭來獲取該自由殖民地國家。勢力越大的帝國集團，成功率也越大。隨著競爭過程不斷進行，勢力強的帝國集團占有越來越多的殖民地國家，而勢力弱的帝國集團逐漸失去其所有的殖民地。最終，失去所有殖民地國家的帝國集團將被覆滅。當算法迭代一定的次數(shù)之后，將只剩下一個帝國，該帝國中的帝國主義國家所代表的解即為算法找到的最優(yōu)解。

1.2約束處理辦法

ICA算法是針對無約束問題設計的，用來優(yōu)化彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)時，必須對問題中的約束條件進行處理。在此，我們假設每個可行解都要優(yōu)于任何非可行解，人為賦予非可行解更大的目標函數(shù)值,同時假設違背約束條件越多的國家，其代表的解也越劣。在算法迭代過程中，檢測每個國家與前述約束條件的符合程度。假設某個國家違背了N個約束，則將該國家的目標函數(shù)值設定為N*Mnumber.這里，Mnumber為一個數(shù)值很大的數(shù)，在我們的實驗中，取99999。

2、求解實驗及結(jié)果分析

為了檢驗本文提出的方法的可行性，并與其他方法進行對比，我們選用了文獻中的算例進行優(yōu)化計算實驗和分析。算法程序在MATLAB環(huán)境下運行。初始國家數(shù)目設置為200，初始帝國數(shù)目設置為3，最大迭代次數(shù)設置為400次。對于片數(shù)為3和4兩種情況，分別進行20次實驗。由于文獻中并未提供[σ]1和[σ]2的值。鋼板彈簧片數(shù)取為3時，采用ICA算法得到的結(jié)果要優(yōu)于文獻中的結(jié)果，彈簧質(zhì)量減少了約2.4%，同時，兩種算法得到的應力[σ]2大致相等，但ICA得到的應力[σ]1降低了約23.2%；當鋼板彈簧片數(shù)取為4時，文獻中給出的參數(shù)結(jié)果并不能滿足應力[σ]2的約束要求，而本文的結(jié)果滿足許可應力的要求。同時根據(jù)文獻中的數(shù)據(jù)，原設計中彈簧質(zhì)量為40.9kg，本文得到的結(jié)果為35.3363kg，比原設計減少了13.6%。

3、結(jié)論

第3篇：優(yōu)化設計論文范文

本文中，發(fā)動機罩原模型參考日產(chǎn)朗逸旗下某標桿車整車模型的發(fā)動機罩模型，材料采用鋼材，依據(jù)GMW美國通用汽車行業(yè)A級車性能標準設計，力學性能良好。將標桿車發(fā)動機罩模型的包絡線提取出來，創(chuàng)建發(fā)動機罩的初始模型后展開內(nèi)罩板的優(yōu)化設計。初始模型上保留標桿車的部分特征線，附屬的加強板及鎖鉤繼續(xù)沿用標桿車模型。

2基于拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化的優(yōu)化設計方法

設計中將以內(nèi)罩板作為優(yōu)化設計對象，設計目標是使模型符合力學性能要求，并通過合理的結(jié)構(gòu)減輕模型的質(zhì)量。優(yōu)化設計過程中，將模擬發(fā)動機罩常見的6種工況，每種工況均有對應的約束和載荷設置。通過約束住模型的最大變形量來保證模型不超過指定的最大剛度值。最大變形量的位置以及約束上限值可參照GMW通用設計中的性能標準設置，按照標準在指定位置添加約束以及相應載荷。因拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化方法的設計變量及優(yōu)化過程不同，為了讓模型在一次分析中接近結(jié)構(gòu)最優(yōu)解，將采用拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化相結(jié)合的分析方法，在基本參數(shù)設置中定義內(nèi)罩板上兩個設計變量，即拓撲優(yōu)化設計變量單元密度值、形貌優(yōu)化設計變量形狀變量值。優(yōu)化過程中內(nèi)罩板上將同時進行兩種優(yōu)化，計算出符合目標的最優(yōu)化模型。其中形貌優(yōu)化關系到加強筋的分布，而加強筋本身具有不同的截面結(jié)構(gòu)，為了研究加強筋形狀對模型帶來的影響，在形貌優(yōu)化中需對加強筋截面做對比分析。參考其他車的發(fā)動機罩及汽車零部件上的加強筋截面形狀，形貌優(yōu)化中將對矩形、半圓形和梯形等3種截面進行分析，對比其帶來的效果。根據(jù)內(nèi)罩板的尺寸及內(nèi)罩板與外罩板之間的間距，合理確定加強筋截面的具體尺寸參數(shù)，具體數(shù)值見圖4，其中截面的厚度預設為2mm。由于初始模型結(jié)構(gòu)尚未成型，優(yōu)化設計前無法確定其內(nèi)板和外板間粘膠的連接位置，為了保證優(yōu)化順利進行，采用如下方法來設置發(fā)動機罩初始模型：參照汽車制造業(yè)發(fā)動機罩厚度的一般標準值，將外罩板的厚度預設為1．2mm，內(nèi)罩板作為一個片體暫不設厚度。將兩板之間的空腔內(nèi)填充鋁合金材料實體，此時內(nèi)罩板僅僅相當于填充實體的一包絡面。優(yōu)化過程中以填充實體作為優(yōu)化對象，優(yōu)化結(jié)束后，發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的填充實體將作為內(nèi)罩板，原內(nèi)罩板則作為一個包絡面予以刪除。然后根據(jù)內(nèi)罩板結(jié)構(gòu)在合適位置添加粘膠與外罩板連接，并添加加強板及鎖鉤部件。最后在內(nèi)、外板邊界上生成翻邊后完成優(yōu)化設計過程。

3模型力學性能調(diào)整

為了不影響其他剛度值，力學性能優(yōu)化調(diào)整的分析對象設定為從標桿車上沿用的鎖鉤，通過拓撲優(yōu)化來尋找合適的鎖鉤結(jié)構(gòu)，提高鎖鉤剛度。優(yōu)化設置時，以鎖鉤工況為優(yōu)化環(huán)境，變形量上限設置同樣參考GMW通用性能標準。通過對鎖鉤進行分析，尋找滿足鎖鉤剛度要求的結(jié)構(gòu)。.

4總結(jié)

第4篇：優(yōu)化設計論文范文

設計方法

壓氣機過渡段主要由兩部分組成，端壁（輪轂、機匣）與支板，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其設計難點主要集中在如何通過改變流道端壁形狀來達到端壁附面層、支板翼型損失的最小化。衡量其性能的主要參數(shù)為總壓恢復系數(shù)（或總壓損失系數(shù)）。葉輪機械傳統(tǒng)的設計思路是由一些嚴重影響性能的一個或幾個參數(shù)出發(fā)，參考實驗或其他數(shù)據(jù)給出這些參數(shù)與設計要求的經(jīng)驗關系，通過大量統(tǒng)計結(jié)果給出設計規(guī)律，然后再進行實驗或CFD驗算。而本文的設計思路則是借助優(yōu)化算法與氣動評估方法的結(jié)合開展對參數(shù)化后的過渡段的設計優(yōu)化工作。

一般來說，壓氣機部件設計大都采用三維優(yōu)化，但三維優(yōu)化需要給定優(yōu)化參數(shù)的初值以及變化范圍，變化范圍太大會造成巨大的計算量，變化范圍太小又不足以保證覆蓋最佳方案。為了解決以上矛盾，本文將在過渡段初步設計的基礎上進行全三維優(yōu)化設計，設計流程如圖2所示。

初步設計：通過求解二維子午平面上的速度梯度方程結(jié)合遺傳算法對流道幾何進行篩選，利用其計算快速的特點可以在參數(shù)化空間中進行大范圍的搜索，得到最佳初步結(jié)果。三維設計：利用三維粘性N-S方程與優(yōu)化算法的結(jié)合對三維參數(shù)化模型進行設計，計算耗時較長，但精度較高，直接對需要優(yōu)化的參數(shù)進行計算，并借助神經(jīng)網(wǎng)絡與遺傳算法對結(jié)果進行優(yōu)化。初步設計為三維設計提供優(yōu)化參數(shù)初值，以初值為基準，給定優(yōu)化參數(shù)變化范圍（比如正負20%），然后在此范圍內(nèi)進行三維粘性優(yōu)化，得到最優(yōu)解。

1參數(shù)化方法

過渡段參數(shù)化即是由自由參數(shù)確定過渡段幾何形狀的過程。參數(shù)化的標準是用盡可能少的自由參數(shù)覆蓋盡可能大的樣本空間。圖3給出了本文的過渡段參數(shù)化方法。根據(jù)前人所取得的經(jīng)驗，過渡段流道沿流動方向面積分布對于控制流動損失至關重要，所以本文流道參數(shù)化由流道中線+流通面積兩個要素來控制，流道中線由4點樣條曲線確定，它決定了氣流從低壓壓氣機到高壓壓氣機之間的流動方向變化，流通面積則通過流道沿流向的高度(如D1，D2)來控制，D1,D2在幾何上已經(jīng)考慮了支板厚度對于流通面積的阻塞作用。支板部分采取兩截面構(gòu)造支板，積疊線為直線，通過定位點、斜率控制位置。

過渡段造型的步驟為：首先由進口高度中點，出口高度中點，中線兩控制點總共4點，通過樣條曲線擬合為中線，并假設該中線即為流線，在兩控制點處根據(jù)給定的準正交流動方向面積（也可以根據(jù)需要增加面積控制截面）確定該處對應的流道寬度D1,D2。流道寬度確定以后就可以沿著與中線垂直方向得到輪轂、機匣的兩個位置，最后結(jié)合這兩個位置以及進出口幾何尺寸以樣條曲線擬合成輪轂機匣端壁，采用的樣條曲線為NURBS曲線，可方便地給定進出口幾何參數(shù)。

2二維、三維計算評估方法

二維評估方法使用流線曲率法求解子午平面上的速度梯度方程來獲得流場的初步參數(shù)。所求解的速度梯度方程如下：式中MV為子午分速度，l為準正交線長度，α為流線切線與軸向夾角，γ為準正交線與半徑方向夾角，mR為計算節(jié)點處的曲率半徑，r為節(jié)點半徑，ρ為密度，G為質(zhì)量流量，m為流線長度，mM為子午馬赫數(shù)。為了考慮支板對于通道的阻塞作用，定義B為網(wǎng)格節(jié)點的阻塞系數(shù)，表達式為B=(2πr−支板數(shù)×節(jié)點處支板厚度)/2πr，κ為阻塞系數(shù)的影響因子，代表阻塞作用反映在子午平面上的強弱。

二維計算還需給定相應的損失模型，這里采用的是文獻中推導并經(jīng)實驗驗證的切應力損失模型。計算中首先由給定的總壓損失初場求解速度梯度方程確定速度場，求出速度場后結(jié)合混合長度理論求出切應力τ，這里混合長度作為常數(shù)，然后由式(2)確定沿流線的總壓損失，損失松弛后進入下一次計算，如此迭代可求得收斂的速度場，最后按質(zhì)量平均計算出口的總壓損失。

需要說明的是，以上方法只給出了端壁損失，并考慮了支板厚度對于端壁損失的影響，并沒有將支板損失部分考慮進去。二維評估方法中計算結(jié)果難以同三維計算結(jié)果精度相提并論，但是可以肯定的是二維方法可以明顯將局部曲率過大的流道篩除，可以快速得到流向扭曲均勻、面積無多峰值變化的相對好的初步設計結(jié)果。

三維計算使用商業(yè)軟件NUMECA/FINE模塊，計算定常流動下的帶支板過渡段總體性能，待優(yōu)化的參數(shù)為總壓恢復系數(shù)。三維計算網(wǎng)格數(shù)、計算精度已經(jīng)經(jīng)過校驗，這里就不詳細列出。

3優(yōu)化算法

初步設計采用的優(yōu)化算法為單目標遺傳算法，采用整數(shù)編碼，包含有雜交、變異、反轉(zhuǎn)算子。精英沉降策略。采用動態(tài)生存壓力，算法初期給予較低的生存壓力，確保樣本多樣性與全域搜索能力，后期給予較高的生存壓力，可加快不良樣本的淘汰。如式(3)通過對樣本適應值進行變換，以達到加速進化的目的，其中生存壓力為t三維設計使用遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合的優(yōu)化策略，用DOE得到的樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，得到參數(shù)-性能的映射關系，然后運用遺傳算法從該映射關系中發(fā)掘新的優(yōu)良樣本并對映射關系進行修正，如此迭代使最佳樣本性能逐步提高達到最優(yōu)解，如圖4所示。

算例分析

為了檢驗上文所發(fā)展的設計方法，對一個算例進行了設計分析。給定的幾何參數(shù)為R1h=0.6m，R1m=0.657m，H=0.11m，L=0.5m，R2m=0.394m，進出口面積比Ainlet/Aoutlet=1.0。支板數(shù)8個，支板翼型采用NACA642-015A，支板弦長0.3m,支板傾角90度。參數(shù)具體含義見圖3。為了比較初步結(jié)果與三維結(jié)果的差別大小，在該算例中對三維優(yōu)化參數(shù)賦予了較大的自由度，圖5給出了經(jīng)過參數(shù)化后的流道型線的變化范圍。二維計算中流線設定為21條，計算站為11個，如圖6所示。三維計算中，計算網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為64萬，如圖7所示。湍流模型為S-A模型，邊界條件為進口總壓321200pa,總溫400K，出口給定流量228Kg/s，近壁面Y+小于9，進出口延伸長度為通道高度的2.5倍。

優(yōu)化的最終結(jié)果為：過渡段總壓恢復系數(shù)0.993，總壓損失系數(shù)0.04。優(yōu)化之后的流道型線如圖8所示。圖8中還給出了二維優(yōu)化的型線和不考慮支板的阻塞的等面積流道型線。可以看出，由于考慮了支板對流通面積的阻塞，二維、三維優(yōu)化后的流道明顯外擴，屬于擴張-收縮型通道，并且初步設計結(jié)果同三維設計結(jié)果略有差異，說明初步設計的結(jié)果在一定程度上逼近了三維設計的結(jié)果，說明以后可以在三維優(yōu)化中給予參數(shù)適度狹小的變化范圍，提高設計優(yōu)化速度。

圖9中設計2為本算例三維優(yōu)化結(jié)果的面積沿流向分布，如圖可見，面積變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這與文獻中優(yōu)化后的的面積分布規(guī)律一致。當然這一變化趨勢是在進出口面積相等的條件下得出的。一般認為，過渡段應該處于順壓梯度，這樣的設計損失最小，不過考慮到支板的損失與氣流速度有關，速度越高損失越大，所以過渡段前半段快速擴壓有助于減小支板區(qū)的總體流速，進而減小由于支板造成的損失，但是這一擴壓過程將造成端壁附面層的加厚，加重損失，所以存在最佳擴壓度使總體損失最小。

前半段的面積擴張也給后半段的面積收縮創(chuàng)造了可能。為了說明面積變化規(guī)律對于流動損失的影響，下面給出了本算例三維優(yōu)化結(jié)果（采用擴張-收縮面積變化規(guī)律，如圖9中設計2）與采用收縮-擴張面積變化規(guī)律的設計方案（下文簡稱設計1，僅與設計2對比，非本文設計結(jié)果）的一些流場對比。

如圖10所示為設計1(design1)與設計2(design2)的出口熵分布比較，可以看出相比設計1，設計2的高損失區(qū)域明顯減小，附面層的熵最大值減小，支板造成的損失區(qū)域、損失大小都減小。圖11給出了支板近壁面極限流線，可以看出設計1支板尾部接近輪轂區(qū)域出現(xiàn)了較強的二次流動，而設計2沒有出現(xiàn)這種情況。

如前文提到的，在輪轂與支板后部交匯處存在著由于輪轂壁面凹曲率和支板翼型收縮造成的雙重擴壓作用，對于該處角區(qū)的低能氣流最容易發(fā)生分離，設計2之所以沒有出現(xiàn)分離，是因為流通面積的收縮抑制了這一雙重擴壓作用，如圖12所示為50%支板高度流面的靜壓力分布，設計1沿流動方向的壓力分布呈現(xiàn)高-低-高的變化，設計2則是低-高-低的變化，從支板中后部開始呈現(xiàn)順壓力梯度。這一變化可以明顯減小支板損失部分，而對附面層發(fā)展部分影響不大。綜上所述，沿流動方向擴張-收縮型通道在減小流動損失方面較為理想，在彌補了支板厚度帶來的面積阻塞之后仍然呈現(xiàn)擴張-收縮型，說明壓力沿流向低-高-低的變化方式才是最理想的。

結(jié)論

1)本文探討了壓氣機帶支板過渡段設計方法，并發(fā)展了相應的設計程序。針對一算例開展了設計工作。初步設計結(jié)果同三維結(jié)果之間略有差異，說明三維優(yōu)化前的初步設計對提高優(yōu)化速度是可行的，肯定了本文關于設計分兩步走的方案。

2)過渡段最優(yōu)解面積分布規(guī)律呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并存在最佳擴張度，可使損失最小。這個最佳擴張度應該是進出口面積比、支板翼型等因素共同影響的。

第5篇：優(yōu)化設計論文范文

(1)確定建筑的高寬比。在規(guī)范中房屋高寬比的規(guī)定雖然不是一個必須要滿足的條件，但是它是一個對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定，抗傾覆能力，承載能力和經(jīng)濟合理性的宏觀控制指數(shù)。一般滿足高寬比限制的結(jié)構(gòu)有更好的抗側(cè)剛度，是比較科學的結(jié)構(gòu)方案。(2)結(jié)構(gòu)設計。在結(jié)構(gòu)設計時，要根據(jù)建筑的材料性能、建筑的功能、建筑的高度、抗震設防烈度、抗震設防類別來選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。(3)要達到建筑造型和功能的要求。在布置水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件時，要在滿足建筑造型和功能的前提下進行選擇，比如梁、柱子、板等，使其構(gòu)成一個空間結(jié)構(gòu)，從而抵抗水平力和豎向力。豎向力主要由豎向可變荷載和建筑物的自重構(gòu)成，水平荷載主要由地震和風荷載構(gòu)成。(4)在正常使用的過程中，高層建筑要具有良好的剛度，防止因為出現(xiàn)比較大的位移，導致結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性受到影響［1］。(5)對抵抗水平力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行合理的布置。要使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的合力中心和水平合力作用點的投影盡可能接近，從而降低出現(xiàn)偏心的情況，避免產(chǎn)生影響建筑物的扭矩。(6)確定抗側(cè)力構(gòu)件的具置。質(zhì)量中心要和剛度中心盡可能接近，減小建筑扭轉(zhuǎn)效應。(7)建筑樓層的高度。通常情況下，建筑面積確定時，如果增加建筑樓層的高度會導致單位面積使用的材料數(shù)量增加。

2優(yōu)化多層框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的大小

在建筑工程中，框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的布局會直接影響工程的造價，當柱距比較小的時候，力的傳遞路線比較短，樓蓋結(jié)構(gòu)使用的材料也相對較少，但是使用的柱構(gòu)件材料會增加，和基礎費用相比，當柱網(wǎng)比較大的時候，會增加梁的高度，提高配筋率，導致造價升高，所以，柱網(wǎng)尺寸的合理性不僅對結(jié)構(gòu)的受力有比較大的影響，而且還會節(jié)省材料的使用量［2］。

2．1結(jié)構(gòu)布置的方案

根據(jù)建筑場地以及使用功能的具體情況，分別布置三種結(jié)構(gòu)方案進行建模計算對比。

2．2對比方案

本工程使用PKPM－SATWE軟件對方案進行計算，前三個陣型的振動周期，X、Y方向的扭轉(zhuǎn)系數(shù)和平動系數(shù)如表1所示。從表中可知，方案二的扭轉(zhuǎn)周期出現(xiàn)在第二陣型，說明該方案的結(jié)構(gòu)沿兩個主軸方向的側(cè)向剛度相差比較大，且扭轉(zhuǎn)周期比已超過0.9，屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在地震作用下建筑的扭轉(zhuǎn)效應較大，可能引起不良后果，故結(jié)構(gòu)方案不考慮方案二。在方案一和方案三中，由于方案三的柱距較小，方案三的梁、柱截面積是最小的，方案一的梁、柱截面積次之。經(jīng)過對模型進行配筋計算，方案一由于Y向的框架梁的跨度適中，并向外挑出，受力比較合理，配筋的計算也會降低很多，而方案三由于柱網(wǎng)很密，計算得到的梁配筋結(jié)果都比較小。兩個方案的層間位移計算數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，方案三在位移比控制方面更具優(yōu)勢，說明其在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應更小。在材料用量方面，方案一使用梁向外進行懸挑的方法可以使內(nèi)跨梁的受力比較合理，材料的使用量比較經(jīng)濟。而方案三和方案一相比，雖然框架柱的柱網(wǎng)比較密，框架柱數(shù)量相對較多，但由于框架柱截面以及配筋均比較小，故方案三梁工程的經(jīng)濟指標總體上要小于方案一。例如在本工程中，方案一鋼筋含量約為34kg/m2，方案三含量約為33kg/m2，，市場鋼筋時價約為4000元，每立方米砼時價約為350元，則方案三梁柱的綜合造價比方案一可節(jié)省約22100元，經(jīng)濟性較好。在降低結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)大小不會對建筑功能造成影響的基礎上，使用方案三時，需要對基礎造價因素進行考慮，例如當基礎的結(jié)構(gòu)形式為天然地基基礎時，兩種方案的工程量大致是一樣的。當以樁基礎為基礎形式時，工程量和樁的類型有比較大的聯(lián)系，如果使用承載力比較小的樁型，在布樁數(shù)量方面的差距是不明顯的。如果使用單樁承載力比較大的大直徑樁型，布樁時考慮單柱單樁，由于柱子的數(shù)量增加，樁的數(shù)量也會有所增加。所以在設計時，要根據(jù)具體的基礎工程量和樓蓋工程量的和來進行柱網(wǎng)尺寸的選擇。

3平面規(guī)則對建筑結(jié)構(gòu)造成的影響

建筑結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則性是影響建筑抗震效果的一個重要指標，規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)的地震反應要遠低于不規(guī)則平面結(jié)構(gòu)，地震災害也會比較輕。結(jié)構(gòu)計算可以將地震影響下結(jié)構(gòu)的受力情況反映出來，使設計人員可以更好的根據(jù)地震反應情況對結(jié)構(gòu)進行控制，設計出具有良好抗震效果的結(jié)構(gòu)。通常情況下，越是簡單的平面形狀，單位造價相對來說就比較低。比如圓形結(jié)構(gòu)，不僅受力相對復雜，而且建筑施工比較復雜，施工過程中需要花費比矩形建筑更高的費用。通常情況下，在建筑施工中，矩形和正方形會更加有利于居家布置和施工，此外還可以有效的降低工程的施工造價，在長方形住宅中，以長寬比為1∶2的住宅為最佳［3］。而且由于工程平面規(guī)則，可以充分利用抗側(cè)力構(gòu)件進行水平力的傳送，結(jié)構(gòu)的剛度可以達到設計的要求，具有良好的經(jīng)濟性和安全性。

4結(jié)語

第6篇：優(yōu)化設計論文范文

（1）給料機返煤系統(tǒng)介紹

物料從球形倉中部落煤，下部設置2排圓盤給料機，原煤通過重力以自溜的方式進入給料機，通過給料機轉(zhuǎn)載至給料機下部設置的帶式輸送機上，從而進入生產(chǎn)系統(tǒng)。球形倉直徑準110m，擋墻3m高，物料為原煤，靜堆積角38°，密度ρ=900kg/m3，堆煤場下部設置2排給料機，每排4個。

（2）建立模型

根據(jù)煤倉直徑及擋墻高度和原煤的堆積角，畫出物料堆積的三維模型，呈等間距布置，根據(jù)軟件測量，模型體積約164631.389m3，儲存量約14.82萬t。當堆煤場下給料機打開，則物料受重力作用以自溜方式進入給料機，此時在給料機上方靜堆積角38°為底角的錐形范圍內(nèi)原煤能進入給料機，而錐形范圍之外的原煤則不能進入，根據(jù)圖1的初步布置圖，畫出給料機的位置并去除能進入給料機范圍的原煤，則剩余原煤。根據(jù)測量，剩余的原煤，即未能進入給料機的原煤體積69610.1613m3，剩余的儲量6.26萬t。

（3）方案優(yōu)化

為了使原煤能更多地進入給料機，需對給料機的位置進行優(yōu)化設計。設能進入給料機范圍的原煤體積為Vj，不能進入給料機范圍的為Vs，則總體積Vz=Vj+Vs這里，為了簡化模型計算，取不能進入給料機的體積Vs為研究對象，研究當Vs取得最小值時給煤機的位置，以及此時能進入給煤機范圍的Vj值。在軟件中將實體的體積測量并定義為特征，運用優(yōu)化/可行性工具，給定給料機的定位尺寸的變化范圍，并最終通過軟件自動查找給料機定位尺寸的最優(yōu)值，從而使Vs取得最小值。本例中圓盤給料機上口尺寸為2m，因此給料機的定位尺寸變化范圍2～55m，參數(shù)輸入后，選擇測量的體積的最小化為輸出目標，優(yōu)化后的給料機定位尺寸。由圖可知，原初步布置圖中排給料機距離倉中心的定位尺寸優(yōu)化前為18m，優(yōu)化后為17.265m；每排中煤倉一側(cè)距離煤倉中心較遠的給料機定位尺寸優(yōu)化前為33m，優(yōu)化后為32.384m；距離煤倉較近的給料機定位尺寸優(yōu)化前為11m，優(yōu)化后為10.653m。此時，剩余的體積Vs=67378.912m3。

（4）結(jié)果分析

優(yōu)化前，球形儲煤場內(nèi)未能進入給料機的物料體積為69610.1613m3，優(yōu)化后為67378.912m3。給料機根據(jù)優(yōu)化后布置，不能進入生產(chǎn)系統(tǒng)的原煤將減少約2231.25m3，即2008t原煤。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)每個設計者的能力、經(jīng)驗不同，堆煤場下給料機的布置亦可能不同，當設計者布置的給料機尺寸離最優(yōu)值越接近,則差異越小、越節(jié)省成本及能耗；相反，如果設計時與最優(yōu)值差異越大，則留在地面的物料就越多，則成本較高，能耗較大。

2結(jié)語

第7篇：優(yōu)化設計論文范文

375m水平南翼膠帶運輸斜巷設計長度為684m，坡度為10.5°上山，開口處底板標高為－499.7m。－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷下部巷道分別為－375m南翼帶式輸送機機頭硐室，南翼煤倉上口通風行人巷、南翼第七聯(lián)絡巷。如圖1所示。圖1巷道平面布置圖－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷開工時間較晚，且工作面運輸需經(jīng)過南翼第七聯(lián)絡巷、南翼煤倉上口通風行人巷、－375m水平南翼帶式輸送機機頭硐室，運輸路線較復雜且需經(jīng)過二級斜巷運輸。隨著巷道不斷向前掘進，該運輸路線不斷加長，如果采用傳統(tǒng)的礦車提升運輸矸石和物料，運輸系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)的需求，必然成為巷道上山掘進的瓶頸環(huán)節(jié)。

2排矸運輸系統(tǒng)

分析結(jié)合－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷實際情況，排矸運輸系統(tǒng)有2套方案:①軌道運輸排矸系統(tǒng);②輸送帶運輸排矸系統(tǒng)。

2.1軌道運輸排矸系統(tǒng)采用軌道運輸出矸時，需經(jīng)南翼煤倉上口通風行人巷25°斜巷及－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷兩條斜巷運輸。采用軌道運輸?shù)木蜻M工作面的坡度、涌水量等因素一般不會對運輸效率造成大的影響，但有許多不可克服的缺點:(1)運輸效率低軌道運輸是一種間斷不連續(xù)運輸，其運輸能力取決于每次提升的串車數(shù)量、車輛在斜巷的運行時間、裝載時間及車輛在車場的摘掛鉤時間。軌道運輸系統(tǒng)的運輸效率有其先天缺陷，且較難克服。當巷道掘進長度在300m以下時基本能滿足掘進需要，當掘進長度在300m以上時，根據(jù)新橋礦上山掘進軌道運輸?shù)氖褂媒?jīng)驗，掘進長度每增加150m，每次運輸時間會增加5min。(2)安全系數(shù)低采用絞車進行倒拉提升時，必須時刻確保絞車、鋼絲繩、回頭滑輪、鉤頭、保險繩、礦車連接的銷子及鏈環(huán)完好，否則極易出現(xiàn)“跑車”事故，造成較大安全隱患。且巷道掘進長度的增加，軌道及鋼絲繩長度增加，安全系數(shù)也越來越低。(3)操作人員多、勞動強度大－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷采用軌道運輸時還另需經(jīng)過南翼煤倉上口通風行人巷2級斜巷運輸，2條斜巷運輸需配備6人，且僅兩條斜巷之間人力推車距離達120m，還需配備2名推車工。運輸輔助工達8人，不僅勞動強度大，且人均功效低。

2.2輸送帶運輸排矸系統(tǒng)用輸送帶運輸出矸時，必須在機頭硐室內(nèi)施工一溜矸小井，工作面矸石通過帶式輸送機運送至溜矸小井處并經(jīng)溜矸小井溜至－550m水平南翼輸送帶運輸大巷內(nèi)后方可運走。采用輸送帶運輸能有效解決軌道運輸存在的各種不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)運輸效率高輸送帶運輸是一種連續(xù)不間斷的運輸，其運輸能力只取決于所安裝的帶式輸送機的運輸能力及工作面裝載設備的裝載速度，不受巷道長度等其他因素的影響，也不存在兩條斜巷提升的問題，運輸效率高。

(2)安全系數(shù)高采用輸送帶運輸不存在斜巷軌道運輸時的種種安全隱患，且－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷坡度只有10.5°，也不存在輸送帶運輸撒矸傷人的隱患，安全系數(shù)高。

(3)操作人員少、勞動效率高南翼煤倉硐室內(nèi)的溜矸小井施工完畢后，采用帶式輸送機出矸時只需配備1名帶式輸送機司機，溜矸小井下口配備2名出矸人員即可，且不存在人力推車和摘掛鉤等工作，操作人員勞動強度小。通過上述分析可知，采用輸送帶運輸有較大的優(yōu)越性，但前提是必須在機頭硐室內(nèi)施工配套的溜矸小井。溜矸小井直徑達到1.2m即可滿足出矸需要，施工工期不長，且溜矸小井在后期施工南翼煤倉時亦可作為排矸井使用。綜合考慮，決定采用溜矸小井配合帶式輸送機運輸組成工作面的排矸運輸系統(tǒng)。

3物料運輸系統(tǒng)

分析采用溜矸小井配合帶式輸送機運輸組成工作面的排矸運輸系統(tǒng)后，－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷物料運輸有2種運輸方案，即可通過帶式輸送機底輸送帶運送;或在巷道中鋪設軌道進行軌道運輸，即采用絞車及回頭滑輪進行倒拉提升運送。采用帶式輸送機底輸送帶運料的安全系數(shù)較低，運送的物料易撒落或撞壞輸送帶架、刮壞輸送帶，當?shù)纵斔蛶С霈F(xiàn)跑偏時這種現(xiàn)象尤為嚴重，現(xiàn)存在較大安全隱患。當采用底輸送帶運送噴漿料時，在裝料點額外增加了一道卸料工序，勞動強度大;噴漿料沿途運送時極易撒落，造成材料浪費及文明施工管理困難，且?guī)捷斔蜋C尾清掃器難以將噴漿料清掃干凈，對輸送帶的損傷極大。同時底輸送帶運輸對材料的尺寸、重量有較多限制，尺寸超標及超重的大件材料需人工運送至工作面，勞動強度大，效率低，因此，帶式輸送機底輸送帶運料方案不予采用。采用軌道運輸時可避免底輸送帶運輸易出現(xiàn)的問題，且因物料運量少，不存在運輸效率制約、安全系數(shù)低及占用施工人員的問題。故工作面物料的運輸方式選擇為軌道運輸。在變坡點位置安裝1部JD－4型絞車，在耙矸機后安裝回頭滑輪進行倒拉提升運送，如位置圖2所示。掘進前期采用21.5mm鋼絲繩;當巷道掘進長度增加，采用21.5mm鋼絲繩導致絞車纏繩量超標時，更換18.5mm鋼絲繩并相應減少提升的串車數(shù)量，滿足整條巷道掘

4巖巷上山掘進運輸系統(tǒng)

通過上述對排矸及物料運輸系統(tǒng)的分析，即可確定－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷上山掘進運輸系統(tǒng)。根據(jù)－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷掘進所需匹配的運輸能力，結(jié)合巷道寬度，選用1臺輸送帶寬度為1m、DSJ100/63/2×90型帶式輸送機，機頭硐室內(nèi)施工配套的直徑1.2m溜矸小井。掘進期間在斜巷內(nèi)鋪設軌道，在斜巷起坡點位置安裝1部JD－4型絞車，在工作面裝載設備后方安裝回頭滑輪，通過絞車、鋼絲繩、回頭滑輪進行倒拉提升將礦車牽引至工作面。隨工作面的延伸而不斷往前鋪設軌道并移動回頭滑輪。上山掘進運輸系統(tǒng)由1部帶式輸送機、2臺耙矸機、1部絞車及附屬的軌道、鋼絲繩、溜矸小井等組成。如圖3所示。圖3巖巷上山掘進運輸系統(tǒng)示意圖1.輸送帶2.－375m水平南翼帶式輸送機機頭硐室3.－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷4、5.耙矸機6.溜矸小井7.－550m水平南翼輸送帶運輸巷矸石或雜物采用工作面安裝的1部P－60B型耙矸機裝載至巷道內(nèi)安裝的1部DSJ100/63/2×90型帶式輸送機上，經(jīng)帶式輸送機運輸至機頭硐室內(nèi)的溜矸小井處，通過溜矸小井溜至－550m水平南翼輸送帶運輸大巷內(nèi)，再由－550m水平南翼輸送帶運輸大巷內(nèi)安裝的1部P－60B型耙矸機裝載至礦車中。通過5t蓄電池式電機車將矸車運至－550m水平南翼軌道運輸大巷內(nèi)，由運輸隊運至井底車場后提升至地面。物料車或工具車從南翼第七聯(lián)絡巷口處的－550m水平南翼軌道運輸大巷，通過5t蓄電池式電機車運至南翼煤倉上口通風行人巷下平臺，再經(jīng)南翼煤倉上口通風行人巷絞車硐室內(nèi)安裝的1部JYB－5×1.40型運輸絞車提升至上平臺，然后通過人力推車運至－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷變坡點處，通過－375m水平南翼輸送帶運輸斜巷信號硐室處安裝的JD－4型運輸絞車提升至工作面。該運輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的巖巷掘進軌道運輸系統(tǒng)相比，在安全性、生產(chǎn)效率和工效都有了較大的提高。該套系統(tǒng)各項設備的搭配充分發(fā)揮了設備的各自優(yōu)點，保證了工作面安全高效快速掘進。

5結(jié)論

第8篇：優(yōu)化設計論文范文

1.1研究對象

該零能耗太陽能住宅位于天津市天津大學26號教學樓旁，北緯39.1°，東經(jīng)117.2°，海拔5m。運用Airpark2.1模擬軟件模擬參賽建筑室內(nèi)通風工況，作為建筑設計前期的室內(nèi)風量預測，優(yōu)化設計方案。首先建立住宅物理模型和數(shù)學模型，然后劃分網(wǎng)格和求解。建筑布局：建筑風格以“徽派民居”為原型，空間布局吸取中國傳統(tǒng)的“庭院”布局，既可作為整個空間布局的視覺中心，又可成為建筑空間的“環(huán)境調(diào)節(jié)區(qū)”，同時解決建筑的采光、通風問題。建筑空間布局圍繞中庭南向依次布置餐廳、客廳、書房、臥室，在北向布置衛(wèi)生間、廚房，成為“溫度阻尼區(qū)”。住宅采用木結(jié)構(gòu)體系，墻體采用歐松板和聚苯乙烯復合的SIP結(jié)構(gòu)板。室內(nèi)家用電器齊全，根據(jù)生活需求配置相應的工作任務來考核室內(nèi)的物理環(huán)境控制情況，為住宅的平面圖。

該零能耗住宅建筑面積為74m2。建筑北側(cè)衛(wèi)生間窗戶為1.2m×0.35m，廚房窗戶為1.35m×0.6m；建筑南側(cè)書房的有效通風面積為0.8m×0.8m，餐廳窗戶為1.4m×1.2m，所有側(cè)窗距地板高度均為0.9m；在中庭上空安裝了3扇1.4m×1m的天窗，天窗距室內(nèi)地面高度為2.5m。住宅為3口之家使用，室內(nèi)家電齊全：1臺筆記本電腦、1臺電視、烤箱、電磁爐、冰箱、5盞熒光燈等。數(shù)值模擬方法分別對人坐、站立、行走高度的風環(huán)境進行模擬，使室內(nèi)空間具有良好的通風組織。根據(jù)零能耗太陽能住宅原型的自然通風特性和內(nèi)部布局，進行大氣邊界條件的設置并建立室內(nèi)不同工況的自然通風模型，再選用k-ε兩方程湍流模型進行模擬求解。室外送風口送風風速為5.5m/s，送風溫度為20℃，送風濕度為30%，相對濕度為40%。根據(jù)居住設計要求，室內(nèi)四季恒溫24℃±1℃，并且始終保持40%~55%的濕度，室內(nèi)空氣懸浮顆粒物、CO2濃度等均有嚴格的指標控制。本課題研究的是住宅室內(nèi)自然通風，選擇標準k-ε湍流模型。動量松弛因子和壓力松弛因子取值分別為0.7和0.3。

1.2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分質(zhì)量決定計算結(jié)果的精度和運算時間。網(wǎng)格單元最大X、Y、Z尺寸為該空間相應方向尺寸的1/25，Airpak2.1軟件自動生成模型中各個區(qū)域的網(wǎng)格，調(diào)整網(wǎng)格的疏密和網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格數(shù)48175，檢查最小網(wǎng)格單元容積，網(wǎng)格質(zhì)量劃分良好。根據(jù)運行求解，迭代次數(shù)適中，計算收斂良好。

1.3模擬方法模擬條件

送風風速為5.5m/s，室外空氣溫度為30℃，筆記本電腦開啟，1人坐在電腦桌前，室內(nèi)共3人活動。室內(nèi)冰箱、電腦熱源開啟。室內(nèi)風壓、熱壓共同作用的自然通風常出現(xiàn)溫度分層，模擬取X=4.8m、Y=2.5m、Z=2.8m處的測試斷面，測點選取離地板高度H=0.8m、H=2m的位置，這些測點能較全面反映該住宅內(nèi)的溫度場和速度場分布情況。

2模擬結(jié)果分析

建筑室內(nèi)送風口的形式、數(shù)量和位置、排（回）風口位置、送風參數(shù)（送風溫度、送風口風速）、風口尺寸等均會影響氣流流動模式，通過不同工況的模擬，預測流場來指導設計和探討紊流模型的準確性。由于自然通風氣流運動具有不可控制性，模擬計算均是在特定的通風模式下進行穩(wěn)態(tài)模擬。比較建筑有無天窗對室內(nèi)溫度場和速度場的影響分布為了驗證設計方案的合理性，運用Airpark2.1模擬軟件對有無天窗2種工況的室內(nèi)通風情況進行比較，以期將室內(nèi)的平均溫度控制在熱舒適度范圍內(nèi)，

3結(jié)語

(1)通過簡化室內(nèi)自然通風模型

應用Airpak2.1軟件對零能耗太陽能住宅原型室內(nèi)氣流組織進行數(shù)值模擬研究，速度矢量圖、PMV云圖可以有效預測室內(nèi)的風環(huán)境，通過對建筑有無天窗、窗戶開啟方式和位置進行設計，從而優(yōu)化室內(nèi)氣流組織，提高人體熱舒適性。

(2)自然通風物理模型的模擬結(jié)果

第9篇：優(yōu)化設計論文范文

工作在1～3μm的近紅外探測器件在空間遙感、大氣監(jiān)測、資源勘探等領域都有重要的應用［1］。InGaAs材料可以覆蓋1～3μm近紅外波段，具有高吸收系數(shù)、高遷移率、高工作溫度下高探測率(輕量化)、良好的均勻性和穩(wěn)定性(高可靠)、優(yōu)秀的空間抗輻照性能(長壽命)等優(yōu)點，因此，InGaAs探測器是近年來最具發(fā)展前景的近紅外探測器［2］。但是，較高的暗電流是制約InGaAs探測器發(fā)展和應用的主要問題。由于PIN結(jié)構(gòu)紅外探測器制作工藝簡單、響應度高，所以目前在設計器件時一般都采用該結(jié)構(gòu)［3］。在器件實際制作之前，對其結(jié)構(gòu)和性能進行模擬、優(yōu)化，能大大節(jié)約資源，提高效率。對于通信用的In0．53Ga0．47As探測器和APD結(jié)構(gòu)InGaAs紅外探測器，已經(jīng)有了大量的研究報道。一種模擬的方法是使用SPICE電路模型模擬器［4］對材料、結(jié)構(gòu)不同的光電探測器建立對應的電路模型，研究其光電特性;另外一種就是基于載流子連續(xù)性方程和泊松方程建立器件模型，利用數(shù)值計算工具進行器件特性的分析［5-6］。利用模擬計算的方法優(yōu)化延伸波長InGaAs探測器的器件結(jié)構(gòu)，從而有效提高器件光電性能是一項非常有意義的工作。本文在驗證了APSYS可靠性的基礎上，開展了高性能延伸波長InGaAs近紅外探測器的研究。首次采用APSYS軟件建立了完整的PNN復合蓋層InGaAs紅外探測器單元器件模型，通過調(diào)整蓋層材料、厚度、載流子濃度等參數(shù)，優(yōu)化了PIN型延伸波長至2．6μm的InGaAs紅外探測器器件結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的器件暗電流可以降低一個數(shù)量級，而光譜響應度僅降低10%。在此基礎上，通過模擬不同工作溫度下的暗電流曲線，分析和解釋了不同工作溫度下的暗電流機制。

2實驗

采用Crossright公司設計的APSYS對InGaAs紅外探測器進行模擬計算。APSYS是一款2D/3D有限元分析軟件，它包括了許多物理模型，例如熱載流子輸運、異質(zhì)結(jié)模型、熱分析等，擁有強大的模擬功能。這里我們基于漂移-擴散模型，通過求解自洽解泊松方程、電流連續(xù)性方程來得到較為精確的模擬曲線［7-9］，對器件進行優(yōu)化及設計。首先在APSYS中建立器件結(jié)構(gòu)模型，調(diào)用物理模型(泊松方程、電流連續(xù)性方程、光子波動方程、光子速率方程、光子增益方程等)，參考軟件數(shù)據(jù)庫設置詳細的控制條件(各層載流子遷移率、載流子壽命、電壓、復合速率等)，編輯輸出命令集合(暗電流、光電流、光譜響應度等)，得到暗電流和光譜響應度的模擬結(jié)果。然后，通過調(diào)整蓋層(P、N1、N2)厚度和載流子濃度等來使暗電流和光譜響應度的綜合指標達到最佳。

3結(jié)果與討論

3．1模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

為了驗證APSYS模擬PIN型延伸波長In-GaAs近紅外探測器的可靠性，我們對InP蓋層和InAs0．6P0．4蓋層的InGaAs探測器進行了模擬，并與實驗結(jié)果進行了對比。兩種探測器襯底均為InP，摻雜濃度為2E18;緩沖層分別為100nm和80nm的In0．82Ga0．18As，摻雜濃度為2E18;吸收層分別為2．9μm和3．1μm的In0．82Ga0．18As，本征載流子濃度為3E16;蓋層為0．9μmInAs0．6P0．4和3．1μmInP，摻雜濃度為2E18［10-12］。圖1為模擬計算和實驗測得的器件相對光譜響應度的對比，從圖中可以看出二者較為接近。實驗測得的相對光譜響應度略小于模擬計算出的值，這是因為模擬計算是在理想條件下進行的，而實驗制作的器件要受到實際工藝技術水平的制約。另外，實驗測得的相對光譜響應度在1．38μm和1．9μm處出現(xiàn)了波動，這主要是由于紅外輻射中的一部分被空氣中的CO2和H2O吸收所致。圖2為模擬計算和實驗測得器件暗電流的對比，由圖可知二者極為接近。同樣，實驗暗電流略大于模擬計算所得暗電流，這是由實際工藝條件造成的。綜合上面的比較，我們可以得出結(jié)論，用APSYS對PIN延伸波長探測器進行模擬計算是精確、可靠的。

3．2新型復合蓋層InGaAs紅外探測器優(yōu)化設計

在驗證模型之后，我們優(yōu)化設計了一種新的結(jié)構(gòu):復合型蓋層延伸波長InGaAs探測器。即蓋層中采用PNN結(jié)構(gòu)，以期提高器件性能。使用InGaAs蓋層不僅容易生長而且可以減少與吸收層之間的晶格失配，減少位錯，降低暗電流;而采用InAsP、InAlAs作為蓋層，則會使In0．82-Ga0．18As材料的表面鈍化，從而降低表面復合率。為了提高器件的量子效率，減少晶格失配帶來的位錯，我們用Vegard定律計算得到與In0．82Ga0．18As晶格匹配的兩種蓋層應為In0．82Al0．18As/InAs0．6P0．4。另外，本征的In0．82Ga0．18As吸收層相對于重摻雜的蓋層和N型緩沖層與襯底來說是高阻層，可以有效抑制載流子熱擴散電流，從而降低器件的暗電流，提高器件的靈敏度。根據(jù)Piotrowski［13］提出的理論模型，吸收層的厚度在2～3μm時，探測器的探測率［14］最大。因此，綜合探測器的探測率和量子效率等各方面的因素，我們優(yōu)化設計In0．82-Ga0．18As本征吸收層的厚度為2．5μm，這樣可以在保證響應速度的同時盡可能提高量子效率。綜上所述，計算中采用的模擬參數(shù)為:襯底為1μm的N型InP材料，載流子濃度為2E18;緩沖層為1μm的N型InxAl1－xAs(x=0．52～0．82)漸變組分緩沖層，載流子濃度為2E18;吸收層為2．5μm的Ⅰ型In0．82Ga0．18As材料，載流子濃度為3E16;在蓋層的PNN結(jié)構(gòu)中，P層為In0．82Al0．18As，N型分別為InAs0．6P0．4和In0．82Ga0．18As。PNN蓋層各層厚度模擬計算數(shù)值如表1所示。在確定最佳厚度后，我們進一步調(diào)整載流子濃度取值范圍，載流子濃度從1E16到2E18，每隔1E16(1E17、1E18)取一個值。通過比較暗電流和相對光譜響應度，我們得出優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4所示為PNN復合蓋層InGaAs探測器在最佳載流子濃度下的相對光譜響應度曲線。在外加反向偏壓為0～0．1V時，優(yōu)化后的器件暗電流密度為10－5數(shù)量級，比常規(guī)的(10－4)小一個數(shù)量級。圖5為優(yōu)化后器件的相對光譜響應度曲線，由圖可知它的長波截止波長為2．6μm，短波截止波長約為0．9μm。相對光譜響應度的峰值出現(xiàn)在2．0μm處，比常規(guī)的PIN型InGaAs紅外探測器峰值小10%，對器件性能影響不大。綜上所述，圖3所示的器件結(jié)構(gòu)大大提高了InGaAs紅外探測器的性能。

3．3暗電流機制的分析

為了探究暗電流機制，我們模擬計算了優(yōu)化后的InGaAs探測器在不同工作溫度下的暗電流。圖6為暗電流隨1000/T的變化關系。我們知道，產(chǎn)生-復合電流、擴散電流、界面復合電流和隧穿電流［15］為InGaAs紅外探測器暗電流的4種機制。擴散電流［16］主要為耗盡層邊緣的熱激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子從P區(qū)、N區(qū)向耗盡層擴散形成的電流;產(chǎn)生-復合電流［17］主要為熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子在電場的作用下由勢壘區(qū)向勢壘兩邊漂移而形成的電流;界面復合電流主要為由于材料體系的失配位錯而產(chǎn)生的界面電流;隧穿電流主要為隧道效應而產(chǎn)生的電流，按照載流子穿越禁帶方式的不同，分為帶間隧穿電流和缺陷隧穿電流［18］。擴散電流和產(chǎn)生-復合電流都與1000/T成線性關系。所以在溫度大于300K(圖中Ⅰ區(qū))時，暗電流主要為擴散電流和產(chǎn)生-復合電流;在250～300K區(qū)間(圖中Ⅱ區(qū))，接近線性變化，但斜率小于Ⅰ區(qū)，此時暗電流主要為帶間隧穿電流;當溫度低于250K(圖中Ⅲ區(qū))時，曲線幾乎不變，此時暗電流主要為缺陷隧穿電流。

4結(jié)論