（材料加工工程专业论文）太阳能热水器性能分析与参数化设计方法研究及其软件开发.pdf

山东大学硕十学位论文 太阳能热水器性能分析与参数化设计方法研究及其软件开发 摘要 我国太阳能热水器制造已成为中国可再生能源领域发展最快、规模最大、市 场成熟最早的行业，家用太阳能热水器已经由逐步推广时期发展到普及阶段。太 阳能热水器企业之间的竞争，也由原先盲目的市场占有份额争夺，短期的销售利 润竞争，转变为企业间太阳能热水器技术创新，产品的个性化种类以及产品售后 服务之间的竞争。太阳能热水器企业所面对的客户也由原先的盲目购买，不理性 消费，转变为现阶段理性客户的合理消费。并且客户对太阳能热水器产品的质量、 性能、使用寿命较之原先都提出了更高的技术和性能要求。这使得太阳能热水器 企业间的竞争变得更加激烈，企业发展的重心逐渐开始从原先的注重扩大生产规 模转移到自身的创新能力提高，加强新产品设计开发能力和引进先进的设计制造 手段上来。太阳能热水器正在朝着高质量、高性能的方向发展。 本文在对真空管太阳能热水器的分析研究的基础上，对三维c a d 参数化方 法进行了深入研究，开发了真空管太阳能热水器的参数化设计软件。其主要内容 包括： ( 1 ) 建立了基于模糊神经网络技术预测真空管太阳能热水器热效率的计算 模型，并编写和完善了相应的性能分析程序，实现了其热效率的预测，预测值与 实验值吻合较好。为太阳能热水器热效率的预测提供了一种新的辅助手段，缩短 了企业新产品的研发周期。 ( 2 ) 剖析了u g 三维设计软件的造型特点，较为系统地研究了其二次开发 技术。总结出了应用u g 二次开发技术设计开发真空管太阳能热水器零部件的一 般方法；根据真空管太阳能热水器零部件的特点，合理科学的对企业产品零部件 进行了分类，研究了具体零件尺寸的驱动关系，提出了不同种类零件参数化设计 解决方案，在此基础上向用户提供了各个零件设计时其主动尺寸的输入界面，设 计开发了太阳能热水器四大类2 1 种零部件的三维设计程序。 ( 3 ) 开发了太阳能热水器设计计算模块。简化了太阳能热水器设计过程中 的繁琐的计算过程。所开发设计计算模块包涵的主要参数计算有：真空管最小间 距计算，冷热水温水量，平均热损系数，系统日热性能，水箱热损系数和水箱电 摘要 加热能量。 ( 4 ) 分析了u g 二次开发程序的运行机制，实现了太阳能热水器参数化设 计系统与u g 系统的集成，给用户提供了方便的调用菜单和友好的操作界面，本 系统拓展了u g 的功能，满足了太阳能热水器行业的专业化设计要求。 关键词：太阳能热水器，热效率，神经网络，u g ，参数化设计，二次开发 山东大学硕+ 学f 奇：论文 r e s e a r c ho np r o p e r t i e sa n a l y s i s ，p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g nm e t h o d a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to fs o l a rw a t e rh e a t e r a b s t r a c t t h es o l a rw a t e rh e a t e rh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tp r o d u c t ，w i t ht h ef a s t e s tg r o w t h a n dt h ee a r l i e s tm a r k e tm a t u r i t yi nt h ec h i n e s er e n e w a b l ee n e r g yf i e l d t h e c o m p e t i t i o na m o n gc o m p a n i e so fs o l a rw a t e rh e a t e ri sb e c o m e i n gm o r ea n dm o r e d r a s t i c i no r d e rt om e e tc u s t o m e r sd e m a n d se n t e r p r i s e sn o wp a ym o r ea t t e n t i o n st o t e c h n o l o g i c a lm o v a a o n ，p e r s o n a l i z e d - p r o d u c ta n da f t e r - s a l e ss e r v i c e s o l a rw a t e r h e a t e r sa r ed e v e l o p i n gt o w a r d st h ed i r e c t i o no fh i g h - q u a l i t ya n dh i g h - p e r f o r m a n c e t h i s p a p e rd e v e l o p s a s y s t e m o ft h et h e r m a l p r o p e r t i e sa n a l y s i s a n d p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g no fs o l a rw a t e rh e a t e r sb yr e s e a r c h i n gs o l a rw a t e rh e a t e r c o m b i n i n gc a dt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) r e s e a r c ho nt h e r m a le f f i c i e n c yf o r e c a s t i n gm e t h o do fe v a c u a t e ds o l a rw a t e r h e a t e r b a s e do nt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r k , at h e r m a le f f i c i e n c ym o d e li se s t a b l i s h e d ， a n da n a l y s i sp r o g r a m sa r ed e v e l o p e dt or e a l i z et h et h e r m a le f f i c i e n c yf o r e c a s t t h e f o r e c a s t i n gr e s u l t sa r ei ng o o d 、析lt h o s eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t s t h ef o r e c a s t i n g m e t h o dc a ns h o r t e nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t c y c l eo fn e wp r o d u c t s ( 2 ) t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gd e s i g nf e a t u r e so ft h eu n i g r a p h i c sa n dt h e u s e rd e v e l o p i n gm e t h o d sa r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l a r w a t e r h e a t e r , i t s c o m p o n e n tp a r t s a r ec l a s s i f i e d s c i e n t i f i c a l l y d r i v i n g r e l a t i o n s a m o n gd i m e n s i o n sa r es t u d i e d ，a n d p a r a m e t e r i z i n gd e s i g ni n t e r f a c ei s f i n i s h e d t h et h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a r n e t e r i z i n gd e s i g np r o g r a mi sd e v e l o p e dt o r e a l i z et h ep a r a m e t e r i z i n gd e s i g no fe v a c u a t e ds o l a rw a t e rh e a t e r s ( 3 ) t h ec a l c u l a t i n gm o d u l ef o rt h ed e s i g no fe v a c u a t e ds o l a rw a t e rh e a t e r s i s d e v e l o p e d t h em o d u l ec a nc o m p l e t ef a s ta n da u t o m a t i cc o m p u t a t i o n so fd e g i n p a r a m e t e r so fe v a c u a t e ds o l a rw a t e rh e a t e r s ，i n c l u d i n gt h ec a l c u l a t i o n so fv a c u u m t u b e ，t h em i n i m u md i s t a n c e ，t h et e m p e r a t u r ea n dv o l u m eo ft h eh o t & c o l dw a t e r , t h e s y s t e m a t i ca v e r a g ec o e f f i c i e n to fh e a tl o s sa n dd a i l yt h e r m a lp r o p e r t i e s ，t h eh e a tl o s s a b s t r a c t c o e f f i c i e n ta n dt h ew a t e rh e a t i n ge n e r g yn e e d e do fw a t e rt a n k s ( 4 ) t h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo fu gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o c e d u r e sa r e a n a l y z e dd e t a i l e d l y i n t e g r a t i n gp r o g r a m sw h i c ha r ei n t r o d u c e da b o v eb a s e do ft h e u n i g r a p h i c sp l a t f o r m ，ad e s i g ns y s t e mf o rs o l a rw a t e rh e a t e r si sf i n i s h e d t h ed e s i g n s y s t e me x t e n d st h ef u n c t i o n so fu ga n dm e e t st h es p e c i a ld e s i g nr e q u i r e m e n t so f s o l a rw a t e rh e a t e ri n d u s t r i e s k e yw o r d s ：s o l a rw a t e rh e a t e r , t h e r m a le f f i c i e n c y , n e u r a ln e t w o r k , u g p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g n ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：斗日期：2 型姓 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储獬：畔聊虢簿年期：一1 6 山东大学硕十学位论文 第一章绪论 能源是人类用来维持生存活动的能量来源。随着社会经济的发展，人们对 于能源的需求越来越大。人均年能耗水平是评价一个国家或是地区穷富的重要标 志，而能源消费结构状况是衡量一个国家和地区环境污染、生态恶化程度的基本 依据。 鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发 利用太阳能和可再生能源的热潮。我国的常规能源储量虽然比较丰富，但人均能 源资源却只有世界人均能源资源的二分之一，年人均能耗水平仅为发达国家的十 分之一。从能源的消费结构来看，我国煤炭消费约占总能耗的6 7 ，相当于全球 煤炭消费占总能耗比例的3 倍，这是造成我国环境污染严重、生态恶化的根本原 因l l j 。因此，开发和利用新能源和可再生能源，尤其是太阳能，对我过国民经济 可持续发展，建设节约型社会具有重要作用，是我国能源发展战略的重要内容和 组成部分，并且国家制定了一系列方针政策来促进其发展。自“六五”以来我国政 府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，2 0 0 5 年我国 政府制定了( n - - j 再生能源法，其立法原则和主要内容不仅体现了能源可持续发 展的理念，还对政府和市场为主体共同参与能源结构的调整给予了立法支持，大 大推动了我国太阳能等可再生能源技术和产业的发展。二十多年来，太阳能利用 技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为快速稳定 发展的新兴产业之一。可以预料，太阳能热水器的推广应用市场前景广阔，发展 潜力巨大。 1 1 真空管太阳能热水器及其热效率 太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技 术之一，太阳热水器是太阳能热利用产业发展的主要内容之一。太阳热水器经过 近二十年的研究和开发，其技术已趋于成熟，是目前我国新能源和可再生能源行 业中最具发展潜力的产品之一。2 0 0 4 年，太阳能热水器约占可再生能源开发利用 量的3 0 ，仅次于小水电的贡献。n 2 0 0 5 年，中国太阳能热水器年产量已突破1 5 0 0 万平方米，保有量超过6 2 0 0 万平方米，居世界第一，为全国千万家庭提供了充足 第一章绪论 的热水供应，形成与电热水器和燃气热水器三足鼎立的局面，并有胜出的趋势【2 】。 按国家经贸委( 2 0 0 0 2 0 1 5 年新能源和可再生能源产业发展规划，n 2 0 1 5 年全 国家庭住宅太阳能热水器普及率为2 0 3 0 ，市场拥有量约2 3 2 亿m 2 ，平均年生 产量1 5 0 0 万m 2 。形成一批年产2 0 0 - - 3 0 0 万r n 2 规模，并具有较强新产品开发能力 的太阳能热水器生产制造骨干企业。 太阳能热水器产品的发展主要经历了三个阶段：平板式太阳能热水器、闷晒 式太阳能热水器、真空管式太阳能热水器。目前我们国家城乡使用比较普遍的是 真空管式太阳能热水器，因此本课题的研究对象为真空管太阳能热水器。 真空管是真空管太阳能集热器的核心元件，单根真空玻璃管结构如图1 1 所 示，它的结构与热水瓶胆比较相似：外层玻璃管套在内层玻璃管的上方，两层玻 璃管之间抽成高真空，内层玻璃管外表面上涂有选择性吸收膜构成吸热体。全玻 璃真空集热管采用单端开口设计，通过一端将环形内和外管熔封起来，其内管的 另一端是密闭半球形圆头，带有吸气剂的弹簧卡子将内侧玻璃管圆头支撑在罩玻 璃管的排气内端部，当吸热体吸收太阳辐射而温度升高时，吸热体玻璃管圆头形 成热膨胀的自由端，缓冲了工作时引起真空集热管开口端部的热应力，工作温度 较平板式和闷晒式有很大的提高，从而提高热水器集热器的加热温度，继而提高 热水器的出水温度，提高了热水器的热效率。 1 内玻璃管，2 太阳选择性吸收涂层，3 真空夹层， 4 罩玻璃管，5 支承件一弹簧卡子，6 吸气剂，7 吸气膜 图1 - 1 真空管结构示意图 真空管式太阳能热水器储水箱内的热水循环依靠热虹吸原理，无需外部动 力，因此工作稳定，由于真空管的独特结构所以它的供水不受天气影响，工作温 度高、抗冻，并且真空管底部还置有一层漫反射板，提高了太阳能的反射利用率。 热效率巩是目前评价太阳热水器热性能的重要指标。g b t1 2 9 1 5 1 9 9 1 中规 定的太阳能热水器热效率实验方法，如图1 2 所示。热效率数值的大小用来表征 太阳能热水器将太阳辐射能量转化为水中所储存热能的能力。是衡量热水器性能 2 山东大学硕十学位论文 优劣的重要参数。 传寡 图l - 2 太阳能热水器热效翠测试系统不恿图 热效率巩定义为在规定的气象条件下，一天内总有效得热量与斜i l i i _ k 累计 的日曝总辐射量之比，即 驴丝兰垒趔( 1 - 1 ) 巩2 i 矿一 式中，m 为太阳能热水器容水量( k g ) ，c 。为水的定压比热容( j k g ) ，瓦为终止 储水温度( ) ，c 为初始储水温度( ) ，彳。为太阳集热器的采光面积( m 2 ) ，h 为 太阳集热器斜面上的日曝总辐射量陶i n 2 ) 。 1 2 课题提出的背景 1 2 1 太阳能热水器行业现状 目前，在太阳能热水器行业产业结构刚刚形成的这段时期内，太阳能热水器 企业之间的竞争，逐步由原先盲目的空白市场争夺，只求短期的销售利润的竞争， 转变为企业间太阳能热水器技术创新，产品的个性化种类以及产品售后服务之间 的竞争。太阳能热水器企业所面对的客户也由原先的盲目购买，不理性消费，转 变为现阶段理性客户的合理消费，他们对产品的质量、性能、使用寿命较之原先 都提出了更高的技术要求，这一切都使得太阳能热水器企业间的竞争变得更加激 烈，太阳能热水器正在朝着高质量、高性能的方向发展。太阳能热水器的产品设 计过程也越来越得到企业的重视，这一环节的好坏，决定了企业未来的发展。 第一章绪论 太阳能热利用，以其易于实现而在世界各地得到迅速发展，应用规模越来越 大。在欧洲，过去1 0 年来太阳能热水器的增长率一直保持在1 8 左右，预计未来 十年增长率会达到2 3 。欧盟提出至u 2 0 1 0 年安装l 亿平方米太阳能热水器的规划， 欧洲太阳能学会预算2 0 2 0 年欧洲太阳能热水器应用高达1 4 亿平方米。 我国的太阳能热水器产品随着市场需求的迅速增长和公众环保意识的不断 发展，已成为中国可再生能源领域发展最快、规模最大、市场成熟最早的行业， 家用太阳能热水器已经由逐步推广发展到普及阶段。中国太阳能热水器的年生产 量是欧洲的2 倍，北美的4 倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大 的太阳能热水器市场，并仍在以每年2 0 3 0 的速度递增。同时我国的太阳能 热水器工业正逐步走向成熟，除了技术不断改进、产品质量不断提高外，几种太 阳能热水器的国家标准己经颁布并开始实施：如“家用太阳热水系统热性能实验 方法”( g b t1 8 7 0 8 2 0 0 2 ) ；“全玻璃真空太阳集热管”( g b t1 7 0 4 9 2 0 0 5 ) 等。并 且国家先后公布了中华人民共和国可再生能源法、建筑节能十五规划和2 0 1 0 年规划等相关法规、政策，其中都对现阶段及未来我国太阳能热水器的发展做 了详尽具体规划，保证了我国太阳能热水器行业继续良好的发展。 近年来，随着制造技术、新材料技术、生产设各、加工技术的改进与提高， 太阳能热水器的产品外观设计以及内在质量，都有较大的改进，使得热水器的使 用寿命和可靠性大大提高。在太阳能设计以及生产过程中，目前国外普遍采用了 先进的集热、储热技术，如飞聚光集热技术，聚光集热技术等，并且在产品的设 计方面也普遍实现了计算机参数化设计，在零件的加工方面先进的板料成型设备 及成型工艺普遍采用，并且在产品试生产之前一般都会对产品做严格的模拟检验 及虚拟分析，以便使所设计的热水器达到使用要求，如在热分析方面已经引入了 神经网络技术。这些技术的采用使得国外太阳能热水器的性能指标达到了极高的 水平。并且在产品的设计阶段就可以对产品的各个性能参数做到有效的控制，形 成产品的评估报告，缩短了产品的设计修改时间，提高了产品的研发速度和产品 质量。目前国外热水器主要以平板式热水器为主。 我国太阳能热水器行业这些年有了长足的发展，根据( ( 2 0 0 7 2 0 0 8 年中国太 阳能热水器市场分析及投资咨询报告数据显示，目前我供太阳能热水器的生产 加工企业大约有3 5 0 0 家，分散在全国各个省、市、自治区、直辖市。在产品的技 4 山东大学硕士学传论文 术方面，由于国家的大力支持，以及企业、院校的技术攻关，目前我国已经具有 了自主知识产权的太阳能热水器的核心技术，特别是太阳能热水器中关键的太阳 能真空管镀膜技术已经取得了很大的突破，达到了国际先进水平。但是，目前我 国的太阳能企业中除了皇明、清华阳光、华扬、澳柯玛、北大四季沐歌等l o 个全 国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外，行业中存在着大量纷繁芜 杂的杂牌企业。这种状况不仅不利于行业的长远发展，并且造成了资源的严重浪 费，由于这些企业规模小，技术力量不足，使得太阳能热水器的设计、生产不能 规范进行，不具备良好的产品研发能力，产品的质量得不到保证，所生产的产品 也大都停留在仿制的极端【3 】。我国的太阳能企业经过这几十年的发展，至1 j 2 0 0 6 年开始中国太阳能热水器行业逐步的完成了行业中企业间的资源重组，大企业品 牌塑建周期完成，从产业环境看，中等企业羽翼丰满，小企业数量众多，一个基 本的产业结构基本形成。在这样的产业环境下，更是对企业太阳能热水器的研发 能力提出了新的更高的要求与挑战。 1 2 2 太阳能热水器设计过程中存在的问题 我国太阳能热水器经过近三十年的发展，产品技术已经趋于成熟，热水器的 技术水平和产品种类数量、档次都有了很大程度的提高，但是在整体水平上与国 外产品还存在很大差距，主要表现在： ( 1 ) 产品设计方面。目前我过的太阳能热水器生产企业，主要采用的是二 维平面设计，企业内部各技术部门之间的信息交流也主要是靠二维平面图纸来完 成，与现在主流的三维设计相比二维平面设计直观性差，设计人员对产品缺乏直 观的把握，给设计人员间的便捷交流带来了不便。所设计的产品一般只有专业人 员认真分析后才能看懂，这使得产品在设计阶段很难实现与一般客户或是生产商 的交流，给企业新产品的开发和改进增加了难度。 ( 2 ) 产品和零部件的标准化不足。由于企业部件的标准化工作不规范，越 来越多的零件流入生产流程，造成零件数量的无限制增长。缺乏完善的数据管理 系统和过程管理系统，企业的大量数据和设计过程得不到有效的控制和管理，使 得设计任务间的等待时间长，各部门之间的信息传递速度缓慢，数据一致性差， 安全性差。 第一章绪论 ( 3 ) 集成化程度不高。c a d c a m 的集成度不高，模型信息、设计信息和 加工信息之间的共享程度低。通用的商品化c a d 软件，难以有效的满足太阳能行 业的具体需要。因此，欲利用c a d 技术取得积极效果，必须以通用c a d 软件为 基础，结合自身实际情况，进行不同程度的用户化、本地化开发，以建立应用绘 图系统和数据库，形成具有自身特色的c a d 系统，这也是c a d 软件均提供二次 开发手段的原因。 现在我国的一些大型的太阳能企业已经意识到了这些问题，在企业内部正在 逐步的使用和推广三维产品设计和有效的数据管理尝试。但是由于刚刚开始尝 试，对三维设计软件的应用还仅仅停留在把它作为一个“绘图软件”，许多企业的 图形c a d 系统只能将设计过程的最后阶段一绘图阶段搬到计算机上，设计过程仍 在设计师的头脑中完成，没真正发挥出c a d 的功能。不能实现设计的参数化，严 重影响了设计效率。并且设计人员的专业性差，只能根据热水器的性能要求，在 一些经验公式的基础上完成部件机构参数及其设计，不能够保证太阳能热水器设 计的准确性，更不可能在产品的设计阶段就对热水器性能进行初步的评估和优 化，产品评估则需要试制样机以后才能进行。这样，产品设计盲目性大，开发成 本高，不利于企业的综合竞争能力的提高和企业的长期发展。 如果能在引进的原始c a d 系统基础上，根据本企业或行业的常规性产品或工 程设计的实际需要，将设计手册、制造手册中的各种数据、典型的结构、计算方 法与公式及产品标准、技术要求、外构件、原材料的样本、手册，本企业或行业 产品的典型结构、经验数据、工装情况等方面的资料、数据、图形等与现有c a d 系统有机地融合起来，使设计人员从繁重的重复劳动中解放出来，做到数据共享； 甚至更一步，将本企业或行业多年来的设计经验总结出来，形成有特色的设计规 范、设计方法、典型结构、标准、通用零部件、功能模块，并相应地在c a d 系统 内建立起数据库、图形库、方法库、知识库及其应用程序，则能真正发挥c a d 系统的效用和优越性。c a d - - 次开发的意义不仅在于提高设计效率，而且还是提 高产品设计质量的重要途径，是提升c a d 应用水平的重要手段。我国c a d 技术 的研究始于7 0 年代初期。8 0 年代中期以来，部分大中型企业和研究所开始采用 c a d 技术。到目前为止，c a d 技术已在很多企业得到实施，特别是9 0 年代以后， p c 机的性能价格比大幅度提高，中小型企业开始引进c a d 系统。 6 山东大学硕十学位论文 1 2 3 国内外研究现状 太阳能热水器的热性能分析是设计太阳能热水器时的重要参数，国内外很多 学者在这方面进行了卓有成效的研究，并提出了很多计算太阳能热水器热性能和 得热量的方法。 张兰英【5 】研究了热虹吸式太阳能热水器不同时刻的非稳态效率与当时贮水 温度、环境温度和太阳辐射之间的关系，提出了一种了测量太阳能热水器非稳态 效率预测的实验方法。宋可生【6 】和王元研究了太阳能热水器在单位时间内吸收热 辐射总量的计算方法，提出太阳能热水器在一定的气温条件下，单位时间内从热 辐射流吸收的总热量是一常数的结论。沙永铃【7 】对热水器的集热能量传输过程进 行了表观分析，从能量的输入和输出平衡角度，提出了一种通过热水器自身对辐 射输入的表现动态相应获得其热效率的方法，而不必要求测量其热效率时的准稳 态条件。罗南春【8 】分析了真空管太阳能热水器的热损失，建立了集热器各个环节 的热平衡方程以及水箱的动态热平衡方程，并编制了真空管集热器瞬时效率的计 算程序。范貌宏【9 】和r o b e r tc b r o w n 根据辐射传热和对流传热理论，利用m a t l a b 程序结合太阳能热水器本身的尺寸以及与其有关的水和空气的物理弹性详细分 析了影响平板式太阳能热水器热效率的因素包括：太阳能热水器表面的太阳光辐 射的吸收率和辐射系数，太阳能热水器的迸水口温度和流量，太阳辐射能力，环 境大气温度，大气辐射系数以及太阳能热水器内部的总传热系数。胡文旭【l o 】导出 了真空管太阳能热水器的非稳态效率方程，并模拟了一种虹吸式真空管太阳能热 水器的非稳态效率方程。高元运【1 1 】表述了太阳能热水器热性能实验方法，以太阳 能集热体的总能量平衡方程为基础，提出了集热体系中有用工质的有用得热与太 阳总辐射的比之即为太阳能热水器的热效率，并给出了太阳能热水器非稳态热效 率方程。 上述研究方法都是先通过理论推导得出太阳能热水器的得热量方程或热效 率方程，然后根据所得方程计算得热量或热效率。因影响太阳能热水器热效率的 因素较多，在推导方程过程中都舍掉了一部分影响因素，对某些方程则采用了近 似解的方法。所以得出的得热量和热效率跟实验结果间误差很大。 张才忠和管延锦【4 】提出了一种用模糊神经网络的方法预测太阳能热水器热 效率的研究方法。通过大量的试验数据，利用b p ( 误差逆传播) 神经网络的自 7 第一覃绪论 适应、自学习和联想记忆功能，拟合这些数据。从而避免了理论推导过程中的计 算等误差，使最终模拟结果与试验所得结果相吻合。给太阳能热水器的热效率预 测提供了一种新的有效的计算方法。 神经网络起源于2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 3 年，心理学家m c c u l l o c h 和数学家p i t t s h e 合作提出了神经元的数学模型，从此开创了神经科学理论研究的时代。1 9 6 2 年 w i d r o w 提出了自适应线性神经元件【1 2 】。1 9 7 4 年s c l e e 和e t l e e 首次把模糊集和 神经网络联系在一起。1 9 8 8 年在美国召开了“神经网络与模糊系统”的国际研讨 会。随后，关于模糊神经网络的研究在美国、日本、法国、加拿大等地展开，产 生了大量成果。b k o s k o t l 3 1 提出模糊联想记忆，模糊认知图的重要概念。j a n g t l 4 】 采用五层神经元网络实现了双输入单输出t a g a k i s u b e n o 类型规则的模糊逻辑推 理。w a n gl i 【l5 】提出了一种由模糊基函数来表示模糊控制规则的方法，并证明了 由此构成的模糊系统具有前向网络的结构和逼近任意非线性函数的映射能力。 e s a n c h e z 【16 1 ，r j m a c h a d o 【1 刀和a fr o c h a 较早的进行了将遗传算法引入到模 糊神经系统之中的研究。1 9 9 3 年j y h s h i n gr o g e rf a n g 1 8 提出了一种自适应模糊神 经模型，并根据该模型的特点提出了一种基于梯度学习算法和最小二乘法的混合 学习算法。b u c k l e y 1 9 】提出了结合b p 算法和遗传算法的混合学习算法对模糊神经 系统进行参数的学习。1 9 9 9 年a n t i m b e r g e r ，d n a u c k ，r k r u s e 2 0 1 提出了一种加强 学习算法( r e i n f o r c e m e n tl e a r n i n ga l g o r i t h m ) 。d e t l e f n a u c k ，r u d o l fk r u s e 2 1 1 提出了一 种应用于模糊神经网络函数逼近器的有监督学习方法。2 0 0 2 年l t r a nh a o i 和 s o s o w s k i 2 2 】提出一种基于规则产生的分阶段学习算法，并将该模糊神经系统应 用于函数逼近和动态序列预测之中。z h o u , j i n 2 3 1 利用神经网络技术建立了月平均 太阳热辐射评估模型，所训练的模型用来预测某一地区某个月的太阳能辐射。 k a l o g i r o u ，s o t e r i sa 2 4 】一【3 2 1 应用人工神经网络技术模拟太阳能热水器日常用水和 建筑物太阳能利用控制系统，训练相应的神经网络并努力将这些训练的神经网络 应用到实际。r a n j a n ，m a n i s h 3 3 j 应用神经网络技术建立了太阳能利用评估模型， 并且与其它太阳能利用评估模型做了对比研究。 参数化技术( p a r a m e t r i c ) 是c a d 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使 c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。利用参数化设计手段开 发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出 8 山东大学硕十学何论文 来，可以大大提高设计速度。国内外对参数化设计做了大量的研究，参数化技术 大致可分为如下三种方法：( 1 ) 基于几何约束的数学方法；( 2 ) 基于几何原理 的人工智能方法；( 3 ) 基于特征模型的造型方法。其中数学方法可分为初等方 法( p r i m a r ya p p r o a c h ) 和代数方法( a l g e b r a i ca p p r o a c h ) 。参数化设计的关键 是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。7 0 年代末及8 0 年代初，英国剑桥大学的r c h i l l y a r d 和美国m i t 大学的d c g o s s a r d 等率先将参数化设计应用于c a d 中。在参数化设计中，几何约束关系的表示形式 主要有：算术运算符、逻辑比较运算符和标准数学函数组成的等式或不等式关系、 曲线关系、关系条件、面向人工智能的知识表达方式。 c a d 技术推动了几乎一切领域的设计和制造革命，其开发和应用水平已成 为衡量一个国家现代化水平的重要标志。目前，国内实际使用的c a d 系统可分为 两大类：一类是国内自主权版的c a d 系统，另一类是国外商品化的c a d 系统。 由于国外c a d 系统发展早、技术先进、产品成熟仍占据着主要的市场份额。国内 外的知名的c a d c a m 软件如p r o e n g i n e e r ，u g ，i d e a s ，s o l i d w o r k s 以及c a x a 系 统等，都是优秀的商品化通用平台。 目前，国内c a d 二次开发技术几乎在各个行业中都有应用实例，并有许多商 品化c a d - - 次开发软件问世。但各行业c a d - - 次开发技术的发展水平存在较大 差距，机械、电子、建筑、航空航天等最早应用二次开发技术，其二次开发程度 也最高。开发出的c a d 系统能够集计算、参数化画图、数据管理为一体，并直接 与计算机辅助制造( c a m ) 和计算机辅助工艺设计( c a p p ) 有机结合。其他行业的 c a d - - 次开发技术则相对落后，有的仅仅是一小部分工程技术人员的个人行为， 还没有形成专门从事c a d - - 次开发的研究队伍。虽然也出现了一些c a d 应用软 件，但大多数仅仅针对某一类型的产品或产品的一部份而开发的小型应用系统， 解决的问题也比较有限。国外成功的c a d 技术开发企业为了加快c a d 技术开发 步伐，都选择了高起点的c a d 技术开发战略，即利用已有的技术成果，在此基础 上二次开发自己的c a d 技术，而不是将人力物力浪费在低水平的重复开发上，这 样既可以提高效率，又能保证自己的产品具有较高的技术含量和水平。【3 4 】【3 9 】 9 第一章绪论 1 3 本文研究内容 本课题的研究内容包括： ( 1 ) 太阳能热水器的热效率预测。根据太阳能热水器的结构尺寸、集热面积 等物性参数和有关气象参数，通过模糊神经网络建立模型并编写相关的程序来预 测热水器的热性能。 ( 2 ) 太阳能热水器参数化绘图模块的研究与开发。研究参数化绘图系统的 设计方案，并确定零件中各尺寸的相关性，建立各个零部件的参数化设计模型。 并在剖析u g 软件三维造型技术的特点、造型方法，深入研究其二次开发有效方 法的基础上，利用u g h 次开发技术实现真空管太阳能热水器主要支架类零件的 参数化设计。 ( 3 ) 开发太阳能热水器设计模块，实现太阳能热水器设计过程中的繁琐计 算的自动化。 ( 4 ) 深入的研究u g - 次开发程序的运行机制，在此基础上实现对所开发的 太阳能热水器参数化设计模块和设计计算模块的系统集成，最终实现太阳能热水 器设计系统与u g 的无缝集成。 1 4 课题的研究意义 进行太阳能热水器三维参数化设计及其性能分析的研究和相关软件的开发 对于促进我国太阳能热水器行业形成自我创新的能力、增强企业新产品开发的水 平、保证产品的优异性能、提高在国际市场的竞争能力、降低产品开发的风险和 成本等具有重要的现实意义和巨大的经济社会效益，并且满足了我国太阳能热水 器行业发展的迫切需求，不仅具有重要的学术价值，而且具有广阔的工程推广应 用前景。 1 0 山东大学硕十学位论文 第二章基于模糊神经网络预测太阳能热水器热效率 太阳能热水器的热效率跟其所在的地理位置，环境状况有很大的关系。快速 准确的推算出某型号太阳能热水器在特定环境下的热效率是一件很困难的事情。 人工神经网络具有良好的非线性映射的特点，在太阳能热效率预测中引入人工神 经网络，可以充分的利用它的非线性功能、并行处理以及非线性能力，来较好的 实现热效率的预测。本文在学习和借鉴前人研究成果的基础上，将神经网络技术 引入到太阳能热性能分析计算中，用基于b p 学习算法的模糊神经网络技术来预 测真空管太阳能热水器的热效率，建立了相应的计算模型，并在应用中不断的改 进趋于完善。 2 1 模糊神经网络基本理论 2 1 1b p 神经网络学习规则 b p 网络模型是一种多层前馈型神经网络，一般由输入层、中间层和输出层 组成。如图2 1 所示为一个三层b p 网络。神经网络的最基本单元为神经元其模 型如图2 2 所示，它具有r 个输入、每一个输入都通过一个适当的权值w 和下一 层相连，网络输出可表示为：a = f ( w x p + b ) ，其中f 是表示输入输出关系的传 递函数。 中间层( 隐层)输入神经元 图2 1 一个简单的三层b p 网络 p l p 2 p 3 p r 1 口= f ( w p + b 1 图2 2b p 神经元模型 设如图2 - 1 所示的b p 神经网络，设输入模式向量为a 。= ( 口。，口：，口。) ，希 望输出向量为砭= ( y 。，y 2 ，儿) ；中间层各单元输入向量瓯= ( s 。，s ：，s p ) ，输出 第二章基于模糊神经网络预测太阳能热水器热效率 向量吼= ( 6 l ，6 z ，b p ) ；输出层各单元的输入向量厶= ( 0 ，：，l q ) ，输出层各单 元输出向量q = ( c 。，c ：，白) ；中间层各单元的阈值为nj ；输出层各单元的阈 值为饥 ，输入层至中间层的连接权慨j ；中间层至输出层的连接权 ，其中 i = 1 , 2 ，刀，= 1 , 2 ，p ，r = 1 , 2 ，q ，七= 1 , 2 ，所。 网络响应函数选用s 函数，即：f ( x ) = i ( 1 + e 啪) ，其导数可用s 函数自身表示。 b p 网络的整个学习过程，如图2 - 3 所示。其中计算中间层各单元的输入一，中 间层各单元的输出饥j ， = 口厂色， ( 2 1 ) i = i 屯= f ( s ，) ( 2 2 ) 输出层各单元的输入亿) ，以及输出层各单元的响应衙) ， p 三，= b - y , j = i c ：= f ( l t 、) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 输出层各单元的误差p 0 用希望输出模式圪和网络实际输出鼯 计算， d ：= ( y ：一c ：、) c ：q c ：、) ( 2 5 ) 中间层各单元的误差髟；可由连接权 、输出层误差 方 、中间层的输出 乜j 计算得到， 乒酚卜( 1 - 以， 矿= j 影h 以) r = l l ( 2 6 ) 用输出层各单元误差留) ，中间层各单元的输出虹j 来修正连接权值 j ； 连接权慨 由中间层误差售；) ，输入层各单元输入4 来修正， 1 2 ( + 1 ) = ( ) + 口b ( + 1 ) = ( ) + e ；口? ( 2 7 ) ( 2 8 ) 山东大学硕十学位论文 其中口、分别为使权值 匕j 、眈j 的调整量巧，、与网络希望输出与实 际输出偏差均方值按负梯度下降的系数，在( o ，1 ) 内取值。 2 1 2 模糊逻辑系统 图2 - 3b p 网络算法流程图 模糊逻辑系统由模糊产生器、知识库、模糊推理机和反模糊化器四部分组成。 模糊产生器将论域u 上的点映射为u 上的模糊集合；模糊推理机根据模糊规则 库中的模糊推理知识以及模糊产生器产生的模糊集合，基于模糊逻辑中的蕴涵关 系以及推理规则，推理出模糊结论，并将其输入到反模糊化器；反模糊化器将论 域v 上的模糊集合映射为论域中的确定点。 第二章基于模糊神经网络预测太研1 能热水器热效率 模糊产生器的功用在于将ucr ”上的一个确定点x = b ，屯，x 。) 7 映射为 一个模糊集合彳。其映射方式有两种。 单值模糊产生器：若模糊集合彳对支撑集z 为模糊单值，则对某一点z 7 = x ， 有g ) = 1 ，而对其余所有的石7 x ，有g 7 ) - - o 。 非单值模糊产生器：当z = x 时，g ) = 1 ，但当x i 逐渐远离z 时，g ) 从 1 开始衰减。 在大多数应用中，我们采用第一种方法，即单值模糊产生器。 模糊规则库是由若干模糊推理规则组成的，其模糊推理规则形式为 r ) ：i f 而i s 互。，x n i sv dt h e nyi sg 7( 2 9 ) 其中， e 和g 7 分别为ucr 和v cr 上的模糊集合，且 x = g l ，一，x 。y u 。x - - 虬和y v 均为语言变量，f - 1 ，2 ，m ，亦即m 为规 则总数。可以看出，x ，y 是模糊逻辑系统的输入、输出。 反模糊化器的功用在于把v cr 上的一个模糊集合g 映射为一个确定的点 y v 。 2 1 3 模糊神经网络技术 模糊逻辑与神经网络的结合就产生了模糊神经网络。在