隨著中國經(jīng)濟的快速增長，雖然各種建設都取得了巨大的成就，但也付出了巨大的代價，經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境之間的矛盾日益尖銳。溫室氣體排放引起的全球氣候變暖問題日益突出，引起了國際社會的廣泛關注。進一步加強節(jié)能減排也是應對全球氣候變化的迫切需要，也是我們的責任。特別是在冬季，大氣承受著供暖造成的巨大壓力。

溫度控制閥作為加熱系統(tǒng)室溫控制的組成部分，不僅是一種高效的建筑節(jié)能產品，也是實施熱計量的重要環(huán)節(jié)。溫度控制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。它是一種比例調節(jié)控制閥，無需添加能量即可工作。它通過改變加熱熱水流量來調節(jié)和控制室內溫度。它是一種經(jīng)濟節(jié)能的產品，也可以大大提高臥室的舒適性。目前，市場上有一種相對成熟的溫度控制閥產品，可以實現(xiàn)閥門的自動啟停裝置。它使用液體溫度包將溫度傳遞給熱敏元件——記憶合金彈簧，并利用合金彈簧對溫度的感應特性來控制閥門的打開和關閉。但在實際應用中，合金彈簧的特性線是非線性的。當溫度下降到一定程度時，合金彈簧的支撐力過大，閥門不能及時打開，導致調節(jié)故障。

為此，研究小組在原溫度控制閥產品的基礎上，開發(fā)了機械熱管網(wǎng)節(jié)能自動啟停裝置，即自力式溫度控制閥。本文采用最先進的非線性規(guī)劃計算方法-序列二次規(guī)劃方法，優(yōu)化研究小組開發(fā)的記憶合金彈簧，尋找合理的記憶合金彈簧組設計參數(shù)，為自力式溫度控制閥產品設計提供參考。

1 溫控閥的結構及工作原理

1.1 溫控閥結構

本研究小組開發(fā)的溫度控制閥從結構圖中可以看到設備的外部部件，包括外殼、下端連接器、八角形連接螺母和底閥連接器。它們確定了設備的形狀，并在固定、連接和支持內部部件方面發(fā)揮了作用。緊固件確定并調整了內部部件的位置，其結構穩(wěn)定地與其他部件配合。內部的其他部件是溫度包，Ti—Ni記憶合金彈簧組、保溫橡膠棒、塑料閥、磁耦合結構、支撐彈簧和支撐彈簧套筒，其中保溫橡膠棒、塑料閥隔離裝置中上下熱流，提高裝置的溫度控制精度。以下是溫度控制閥的結構圖（如圖1所示）。

1.2 溫控閥的工作原理

該溫度控制閥利用閥門的溫度原件來控制閥門的開度，其工作過程如下：

當室內溫度升高時，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，供給室內的熱量增加，升高室內溫度。

當房間內有其他輔助熱源（如白天的陽光等熱體）時，閥門會自動關閉，減少散熱器的進水量，最終達到節(jié)能的目的，大大提高臥室的舒適度。

圖1 裝置結構圖

建立2 數(shù)學模型

本文利用Matlab該軟件開發(fā)了基于序列二次規(guī)劃方法的優(yōu)化設計程序，以解決合金彈簧優(yōu)化設計問題。Matlab機械優(yōu)化設計軟件的基本步驟如下：

首先，根據(jù)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，對建立的模型進行具體分析和研究，選擇合適的優(yōu)化解決方案；最后，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，計算機找到最佳解決方案。

2.1 已知參數(shù)

自力溫度控制閥的整體結構由其核心部件——記憶合金彈簧的尺寸決定。記憶合金彈簧壓力大，尺寸受安裝條件限制，目標要求記憶合金彈簧質量最低。彈簧材料是Ti-50.8Ni記憶合金，最大工作負荷Pmax為95N，最小工作載荷為60N，彈簧壽命為104h，彈簧直徑d取值范圍為1~4mm，中徑D2取值范圍為10~30mm,工作圈數(shù)n不應小于4.5圈，彈簧旋轉比C彈簧一端固定，一段自由，彈簧變形不小于10mm。

♂

2.2 選擇設計變量

以彈簧直徑d，中徑D二、有效工作圈數(shù)n設計變量為：

x=[x1，x2，x3]=[D2，n，d]

2.3 目標函數(shù)的建立

以記憶合金彈簧質量最小為目標函數(shù)的優(yōu)化問題，目標函數(shù)為

其中：

n–工作圈數(shù)有效；

–死圈數(shù)，常取1.5~2.5，此處取2；

–彈簧材料的密度；

d–彈簧直徑；

D2–彈簧中徑。

整理簡化后，目標函數(shù)為

2.3.建立1 約束條件

彈簧強度條件：

彈簧剛度條件：

彈簧穩(wěn)定性：

彈簧無共振要求：

彈簧旋繞比限制：

邊界和自然條件應滿足每個設計變量：

2.建立4 數(shù)學模型

通過以上分析步驟，上述問題可以抽象成以下數(shù)學模型：

4 編程

4.1 M文件myfun.m

♂

4.二 非線性約束M文件mycon.m

4.3 解決主文件main.m

format long

4.4 運算結果

x=1.6564

4.5000

16.1141

fval=

0.0055

考慮到實際工況，取彈簧直徑1.6mm，工作圈數(shù)5，中經(jīng)16mm。帶入質量公式后，最小質量基本等于0.0055kg。

3 結論

本研究小組開發(fā)了機械熱管網(wǎng)節(jié)能自動啟停裝置，即械熱管網(wǎng)節(jié)能自動啟停裝置，即自力式溫度控制閥，其中記憶合金彈簧進行了優(yōu)化設計。本文采用最先進的非線性規(guī)劃計算方法-序列二次規(guī)劃方法，優(yōu)化了本研究小組開發(fā)的機械熱管網(wǎng)節(jié)能自動啟停裝置，即自力式溫度控制閥中的記憶合金彈簧Matlab該軟件開發(fā)了基于序列二次規(guī)劃方法的優(yōu)化設計程序，特別用于解決自力式溫度控制閥中的記憶合金彈簧優(yōu)化設計問題。通過優(yōu)化設計，找到合理的記憶合金彈簧組設計參數(shù)，以滿足設備的設計要求，為自力式溫度控制閥的產品設計提供參考。