燕山大學姚靜教授團隊：增材制造流道低壓損短路徑設計優化方法丨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計優化方法[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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液壓集成塊內部流道是液壓系統承載壓力、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域最短流道路徑設計方法，然后采用伴隨優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化，最后使用選區激光熔融技術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。結果發現伴隨優化后的某電靜液驅動執行器(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，流道內部渦結構范圍與強度較小；同時，試驗表明伴隨優化后的流道在不同通流狀態下，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化設計提供新思路 。本文作為《機械工程學報》2025年第22期的封面文章發表，期望相關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、增加續航能力和提升載荷能力，移動裝備液壓系統迫切需要實現輕量化。液壓集成塊作為液壓系統的重要液壓部件，由于其受限于傳統減材加工制造工藝限制，體積重量較大，且內部包含復雜的流道結構，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能耗，還制約了移動裝備液壓系統功重比提升，因此急需探討新工藝實現減體增效。

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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域最短流道路徑設計方法，然后采用伴隨優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化，最后搭建壓力損失測試試驗臺進行試驗研究。結果表明重新設計的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化設計方法的有效性。

圖1 多向異形連接區域示意圖

圖2 某電液執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化后流道對比

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實驗方法

利用SLM技術成形了初始流道、最短路徑流道、以及伴隨優化后流道，并為了保證打印的多向異形鏈接區域實現與測壓閥塊的鏈接，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，并與仿真結果進行對比。結果表明在五種不同流量結果下，實驗與仿真結果壓損相差較小，驗證了仿真結果的準確性。

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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結論

伴隨優化后的某EHA集成塊流道軸線路徑縮短了49.6%，且油液流動順暢，流道內部渦結構范圍與強度較小；同時，試驗表明伴隨優化后的流道在不同通流狀態下，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化設計提供新思路。

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及其核心液壓元件高效節能設計研究，主要包括大功率液壓伺服系統節能與控制關鍵技術、高效除氣除雜異形液壓油箱設計技術、高性能液壓控制閥設計及其高精度測試技術等研究，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，國家級領軍人才。團隊學術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、國務院特貼專家。團隊有15名教師，其中國家級領軍人才2名，國家級青年人才3名，現有在讀博碩研究生200余名 。

團隊主要科研方向為重型裝備電液伺服系統高精度控制方法、超高壓大流量核心液壓元件研發、液壓元部件輕量化設計、重載機器人驅動及控制、工程機械數字孿生及診斷技術、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、中國機械工業優秀創新團隊、《機械工程學報》創刊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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