自力式溫控閥記憶合金彈簧的優(yōu)化設計
  我國經(jīng)濟快速增長，雖然各項建設取得巨大成就，但也付出了巨大的代價，經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳。溫室氣體排放引起全球氣候變暖的問題，日益突出，備受國際社會廣泛關注。進一步加強節(jié)能減排工作，也是應對全球氣候變化的迫切需要，是我們應該承擔的責任。尤其到冬天，大氣承受著由供暖引起的不可忽視巨大壓力。
    溫控閥作為供熱系統(tǒng)室溫調(diào)控的部件，既是一種高效的建筑節(jié)能產(chǎn)品，也是實施熱計量必不可少的環(huán)節(jié)。溫控閥的使用解決了熱能的浪費問題，為終端用戶提供了有效的節(jié)能手段。它是無需外加能量即可工作的比例式調(diào)節(jié)控制閥，它通過改變采暖熱水流量來調(diào)節(jié)、控制室內(nèi)溫度，是一種經(jīng)濟節(jié)能產(chǎn)品，它還能大大提高居室舒適度。目前市場上有一種較為成熟的溫控閥產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)自動啟停閥門的裝置，它采用液體溫包傳遞溫度給熱敏元件——記憶合金彈簧，利用合金彈簧對溫度的感應特點控制封堵閥門開閉。但實際應用時，合金彈簧特性線為非線性，當溫度降到一定程度時，合金彈簧支撐力過大，閥門不能及時開啟，造成調(diào)控失效。
    為此，本課題組研制了機械式熱力管網(wǎng)節(jié)能自動啟停裝置，即自力式溫控閥，在原溫控閥產(chǎn)品基礎上進行原理性改進。本文作者采用目前*先進的非線性規(guī)劃計算方法——序列二次規(guī)劃法對本課題組研制的自力式溫控閥中的記憶合金彈簧進行優(yōu)化設計，以尋找合理的記憶合金彈簧組設計參數(shù)，為自力式溫控閥產(chǎn)品設計提供參考。
    1 溫控閥的構造及工作原理
    1.1 溫控閥的構造
    本課題組研制的溫控閥從結構圖可以看到裝置外部的零件，依次是外殼、下端連接件、八角連接螺母、底閥連接件，它們確定了裝置的外形，對里面的零件起到了固定、連接、支持的作用。緊固件確定并調(diào)整內(nèi)部零件的位置，它結構穩(wěn)定的配合了其它零件。內(nèi)部其它零件由上依次是溫包，Ti—Ni記憶合金彈簧組，隔熱橡膠棒，塑料閥，磁力耦合結構，支撐彈簧及支撐彈簧套，其中隔熱橡膠棒，塑料閥在裝置中間隔絕上下熱量的流動，提高了裝置的溫控精度。下面是溫控閥的結構圖（如圖1）。
    1.2 溫控閥的工作原理
    該溫控閥利用閥的感溫原件來控制閥門開度，其工作過程如下：
    當室內(nèi)溫度升高時，感溫材料膨脹，壓縮彈簧，從而帶動閥桿，使閥口關小，散熱器的進水量因此減小，使得對室內(nèi)的散熱量減少，從而降低室溫；反之，閥桿彈回，閥口開大，進水量增大，供給室內(nèi)的熱量增加，升高室內(nèi)溫度。
    當房間有其它輔助熱源時（如白天的太陽光，及其它發(fā)熱體等），閥門自動關小使散熱器的進水量減小，*終達到節(jié)約能源的目的，它還能大大提高居室舒適度。

圖1 裝置結構圖
    2 數(shù)學模型的建立
    本文利用Matlab軟件開發(fā)了基于序列二次規(guī)劃法的優(yōu)化設計程序，用于解決自力式溫控閥中記憶合金彈簧優(yōu)化設計問題。運用Matlab軟件進行機械優(yōu)化設計的基本步驟如下：
    首先根據(jù)所提出的*優(yōu)化問題，建立數(shù)學模型，確定變量，列出約束條件和目標函數(shù)；其次對所建立的模型進行具體分析和研究，選擇合適的*優(yōu)化求解方法；*后，根據(jù)*優(yōu)化方法的算法，列出程序框圖，選擇優(yōu)化函數(shù)和編寫程序，由計算機求出*優(yōu)解。
    2.1 已知參數(shù)
    自力式溫控閥的整體結構是由其核心部件——記憶合金彈簧的尺寸決定的。該記憶合金彈簧受壓較大，尺寸又受安裝條件限制，故目標要求為記憶合金彈簧的質(zhì)量*小。其中彈簧材料為Ti-50.8Ni記憶合金，*大工作載荷Pmax為95N，*小工作載荷為60N，彈簧壽命為104h，彈簧直徑d的取值范圍為1~4mm，中徑D2的取值范圍為10~30mm,工作圈數(shù)n不應小于4.5圈，彈簧旋繞比C不應小于4，彈簧一端固定，一段自由，彈簧變形量不小于10mm。