隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，雖然各種建設(shè)都取得了巨大的成就，但也付出了巨大的代價(jià)，經(jīng)濟(jì)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(wèn)題日益突出，引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能減排也是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的迫切需要，也是我們的責(zé)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(chǎn)品，也是實(shí)施熱計(jì)量的重要環(huán)節(jié)。溫度控制閥的使用解決了熱能的浪費(fèi)問(wèn)題，為終端用戶提供了有效的節(jié)能手段。它是一種比例調(diào)節(jié)控制閥，無(wú)需添加能量即可工作。它通過(guò)改變加熱熱水流量來(lái)調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)溫度。它是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)能的產(chǎn)品，也可以大大提高臥室的舒適性。目前，市場(chǎng)上有一種相對(duì)成熟的溫度控制閥產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)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(duì)溫度的感應(yīng)特性來(lái)控制閥門的打開(kāi)和關(guān)閉。但在實(shí)際應(yīng)用中，合金彈簧的特性線是非線性的。當(dāng)溫度下降到一定程度時(shí)，合金彈簧的支撐力過(guò)大，閥門不能及時(shí)打開(kāi)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)故障。

為此，研究小組在原溫度控制閥產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了機(jī)械熱管網(wǎng)節(jié)能自動(dòng)啟停裝置，即自力式溫度控制閥。本文采用最先進(jìn)的非線性規(guī)劃計(jì)算方法-序列二次規(guī)劃方法，優(yōu)化研究小組開(kāi)發(fā)的記憶合金彈簧，尋找合理的記憶合金彈簧組設(shè)計(jì)參數(shù)，為自力式溫度控制閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

1 溫控閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 溫控閥結(jié)構(gòu)

本研究小組開(kāi)發(fā)的溫度控制閥從結(jié)構(gòu)圖中可以看到設(shè)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(shè)備的形狀，并在固定、連接和支持內(nèi)部部件方面發(fā)揮了作用。緊固件確定并調(diào)整了內(nèi)部部件的位置，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地與其他部件配合。內(nèi)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(lái)控制閥門的開(kāi)度，其工作過(guò)程如下：

當(dāng)室內(nèi)溫度升高時(shí)，感溫材料膨脹，壓縮彈簧，從而帶動(dòng)閥桿，使閥口關(guān)小，散熱器的進(jìn)水量因此減小，使得對(duì)室內(nèi)的散熱量減少，從而降低室溫；反之，閥桿彈回，閥口開(kāi)大，進(jìn)水量增大，供給室內(nèi)的熱量增加，升高室內(nèi)溫度。

當(dāng)房間內(nèi)有其他輔助熱源（如白天的陽(yáng)光等熱體）時(shí)，閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，減少散熱器的進(jìn)水量，最終達(dá)到節(jié)能的目的，大大提高臥室的舒適度。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

建立2 數(shù)學(xué)模型

本文利用Matlab該軟件開(kāi)發(fā)了基于序列二次規(guī)劃方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，以解決合金彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。Matlab機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的基本步驟如下：

首先，根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題建立數(shù)學(xué)模型，確定變量，列出約束條件和目標(biāo)函數(shù)；其次，對(duì)建立的模型進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)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(biāo)要求記憶合金彈簧質(zhì)量最低。彈簧材料是Ti-50.8Ni記憶合金，最大工作負(fù)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(yīng)小于4.5圈，彈簧旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)變量

以彈簧直徑d，中徑D二、有效工作圈數(shù)n設(shè)計(jì)變量為：

x=[x1，x2，x3]=[D2，n，d]

2.3 目標(biāo)函數(shù)的建立

以記憶合金彈簧質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)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(jiǎn)化后，目標(biāo)函數(shù)為

2.3.建立1 約束條件

彈簧強(qiáng)度條件：

彈簧剛度條件：

彈簧穩(wěn)定性：

彈簧無(wú)共振要求：

彈簧旋繞比限制：

邊界和自然條件應(yīng)滿足每個(gè)設(shè)計(jì)變量：

2.建立4 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)以上分析步驟，上述問(wèn)題可以抽象成以下數(shù)學(xué)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(yùn)算結(jié)果

x=1.6564

4.5000

16.1141

fval=

0.0055

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

3 結(jié)論

本研究小組開(kāi)發(fā)了機(jī)械熱管網(wǎng)節(jié)能自動(dòng)啟停裝置，即械熱管網(wǎng)節(jié)能自動(dòng)啟停裝置，即自力式溫度控制閥，其中記憶合金彈簧進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用最先進(jìn)的非線性規(guī)劃計(jì)算方法-序列二次規(guī)劃方法，優(yōu)化了本研究小組開(kāi)發(fā)的機(jī)械熱管網(wǎng)節(jié)能自動(dòng)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(kāi)發(fā)了基于序列二次規(guī)劃方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到合理的記憶合金彈簧組設(shè)計(jì)參數(shù)，以滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，為自力式溫度控制閥的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。