燕山大學姚靜教授團隊：增材制造流道低壓損短路徑設(shè)計優(yōu)化方法丨JME封面文章

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)計優(yōu)化方法[J]. 機械工程學報, 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、傳遞動力的重要載體，然而其受限于減材制造，導致體積重量大、工藝孔多、壓力損失較大等問題，嚴重影響移動裝備液壓系統(tǒng)功重比。針對上述問題，燕山大學姚靜教授團隊提出基于快速擴展隨機樹(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)計方法，然后采用伴隨優(yōu)化方法對最短路徑流道進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，并搭建壓力損失測試試驗臺進行試驗研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)伴隨優(yōu)化后的某電靜液驅(qū)動執(zhí)行器(Electro-hydrostatic actuator,EHA)集成塊流道軸線路徑縮短了49.6%，且油液流動順暢，流道內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)范圍與強度較小；同時，試驗表明伴隨優(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)計提供新思路 。本文作為《機械工程學報》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

為了提高機動性能、增加續(xù)航能力和提升載荷能力，移動裝備液壓系統(tǒng)迫切需要實現(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)部包含復雜的流道結(jié)構(gòu)，流道路徑較長、含直角彎，工藝孔和盲孔較多，導致流道壓力損失較大，不僅影響移動裝備液壓系統(tǒng)能耗，還制約了移動裝備液壓系統(tǒng)功重比提升，因此急需探討新工藝實現(xiàn)減體增效。

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論文亮點

針對上述問題，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)計方法，然后采用伴隨優(yōu)化方法對最短路徑流道進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試試驗臺進行試驗研究。結(jié)果表明重新設(shè)計的EHA液壓流道極大的降低了壓力損失，說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)化后流道對比

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實驗方法

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)與測壓閥塊的鏈接，對三種流道的螺紋連接處進行了成形設(shè)計；然后在搭建的壓力損失測試平臺下，測試了三種流道的入口、出口間壓力損失，并與仿真結(jié)果進行對比。結(jié)果表明在五種不同流量結(jié)果下，實驗與仿真結(jié)果壓損相差較小，驗證了仿真結(jié)果的準確性。

圖 4 試驗平臺整體搭建

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%，且油液流動順暢，流道內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)范圍與強度較小；同時，試驗表明伴隨優(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)計提供新思路。

作者介紹

姚靜，燕山大學機械工程學院院長/教授，國家級領(lǐng)軍人才，河北省重型機械流體傳動及控制重點實驗室主任，一直致力于高端裝備電液傳動系統(tǒng)及其核心液壓元件高效節(jié)能設(shè)計研究，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)計技術(shù)、高性能液壓控制閥設(shè)計及其高精度測試技術(shù)等研究，獲省部級科技獎勵4項。榮獲河北省教書育人楷模、河北省教學名師、河北省優(yōu)秀教育工作者等，獲省級教學成果獎2項。

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團隊研究方向介紹

團隊負責人為姚靜教授，燕山大學機械工程學院院長，國家級領(lǐng)軍人才。團隊學術(shù)帶頭人為孔祥東教授，中國機械工程學會流體傳動與控制分會榮譽主任委員、國務(wù)院特貼專家。團隊有15名教師，其中國家級領(lǐng)軍人才2名，國家級青年人才3名，現(xiàn)有在讀博碩研究生200余名 。

團隊主要科研方向為重型裝備電液伺服系統(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、重載機器人驅(qū)動及控制、工程機械數(shù)字孿生及診斷技術(shù)、可穿戴傳感及微流控芯片等。團隊入選機電液一體化國家級教學團隊、中國機械工業(yè)優(yōu)秀創(chuàng)新團隊、《機械工程學報》創(chuàng)刊70周年突出貢獻團隊，也是全國高校黃大年式教師團隊的核心組成部分。

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近兩年團隊發(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

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 彤

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