基于多目标遗传算法的水陆两栖可变形机器人结构参数设计方法

水陆两栖可变形机器人是一种兼具变形能力与两栖环境适应能力的新型移动机器人。在其机构设计中,结构参数直接影响该机器人在任务环境中的各项机动性能。针对水陆两栖可变形机器人工作环境复杂性和任务多变性,提出一种基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法,以得到该型机器人在两栖环境中的最优的综合性能。在水陆两栖可变形机器人陆地环境和水环境中运动学和动力学模型基础上,建立两栖环境中机器人的机动性能指标函数与结构参数的映射关系,并在此基础之上构建面向水陆两栖可变形机器人的结构参数设计的多目标优化问题。利用多目标遗传算法得到该多目标机构参数设计问题的Pareto最优解集,并且通过组合赋权方法确定各目标决策属性的权重,从Pareto最优解集中得到符合设计要求的水陆两栖可变形机器人的各项机构参数最优解,进而指导机器人最终结构参数设计。根据最终得到的结构参数研制出水陆两栖可变形机器人样机Amoeba-II,并在两栖环境下进行样机的各项性能试验,最终验证了基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法的有效性以及在机器人设计中的适用性。     

遗传算法在油气悬架参数优化设计的应用

油气悬架输出特性的主要结构参数对整车平顺性有重要影响,基于此并结合油气悬架结构特点,提出油气悬架设计的目标函数;以该目标函数为基础,建立了多工况下的总体优化目标,根据正交试验的结果选取对整车平顺性影响较大的结构参数作作为设计变量,采用遗传算法优化工具对参数进行优化分析,找出各个设计变量针对总体优化目标的全局最优解,通过整车动力学模型对设计变量的最优解进行验证。研究方法和研究成果,为油气悬架结构参数的选取提供一定的理论指导和依据。     

GTF减速器柔性传动轴的响应面设计

对GTF减速器的传动轴进行了响应面设计并最终确定了其最优几何参数。首先,使用Python语言在Abaqus平台上开发了柔性轴有限元模型的参数化计算程序。该程序能够自动实现有限元分析的全过程,从而提高了计算效率。其次,采用优化的拉丁超立方抽样方法在设计空间内得到60个采样点,调用参数化程序求得了所有采样点对应的传动轴上最大Von Mises应力值,并以该应力为目标函数建立了响应面优化模型。最后,将最优解反代入有限元模型中再次求解,所得结果验证了该响应面模型的正确性。同理,给出了以刚度为目标函数的响应面模型及其最优解。两种响应面设计方案为工程应用提供了理论依据。     

基于多目标遗传算法的贝塞尔超声变幅杆优化设计方法研究

为设计满足蜂窝复合材料加工要求的高性能超声变幅杆,提出了一种基于多目标遗传算法的超声变幅杆优化设计方法。以变幅杆的结构参数为设计变量,以谐振频率和放大系数为优化设计目标,建立了贝塞尔超声变幅杆的数学优化模型。通过在遗传算法中调用ANSYS仿真软件,对变幅杆进行了建模和动力学分析,获得了计算目标函数所需的参数,采用多目标遗传算法求出了Pareto最优解集,在所求出的Pareto最优解集中选择了一组最符合设计要求的解作为超声变幅杆的设计参数。为验证设计的有效性,对所设计的变幅杆进行了性能测试并对蜂窝复合材料进行了试切实验。实验结果表明：通过该优化设计方法得到的变幅杆放大倍数为7.66,较优化设计前提高了29%,且工作频率更接近于设计频率。通过仿真分析和性能实验,验证了该方法的有效性和可靠性,试切实验结果表明所设计的变幅杆满足加工要求,工艺效果好。     

机械弹性车轮的结构参数化设计

针对机械弹性车轮的结构尺寸发生细微变化或者结构不满足强度、刚度等要求时,都需要进行重复设计以致延长设计分析周期的问题,基于参数化设计和Pro/E二次开发的理论,开发了机械弹性车轮的结构参数化设计平台,该平台以交互的方式实现机械弹性车轮强度和尺寸校核、三维零件模型和工程图的自动生成、虚拟装配等,同时避免了在传统设计过程中通过查阅国家标准、工程手册来确定设计参数等繁琐工作。实例结果表明,利用所提出的技术与方法能够实现机械弹性车轮结构参数化设计。     

针对高速Delta机器人杆件优化的研究

为了充分发挥高速Delta机器人误差累积小、运动速度快的优点,需对Delta机器人进行杆件优化的研究。在建立系统运动学和刚体动力学模型的基础上,定义了全局灵巧度与主动臂冲击振动函数,根据Delta机器人的实际工作要求,对其进行了轨迹规划。利用MATLAB遗传算法工具箱,分别以灵巧度与冲击振动函数作为适应度函数,求得各自全局的最优解,再以求得的最优解作为杆件尺寸的上下界,利用权重系数变换法将灵巧度与冲击振动函数这一多目标优化问题转化为单目标优化的问题,据此综合出一组满足优化目标的尺度参数,为Delta机器人的结构优化设计提供了参考依据。     

某机载构件的轻量化设计与研究

为实现某航空机载设备的轻量化,采用碳纤维增强塑料构件代替铝合金构件,同时要求在飞机的振动环境下能保证机载设备的刚度要求.根据碳纤维增强塑料的成型方式,将原结构的三个铝合金构件设计为一个碳纤维增强塑料构件,通过初步的静力学分析确定了三种方案中的较优结构.采用UG与ANSYS Workbench的联合仿真,建立了该方案的参数化模型,将弧度、侧边折回长度和上部加强筋的尺寸作为设计变量,整体结构的固有频率作为目标函数,利用响应面法对构件进行优化设计,确定了该构件的最佳尺寸.最后使用该最优解进行随机振动分析,在X、Y、Z方向上分别施加加速度谱密度后,整个结构不会发生共振问题,而且在各方向的变形均满足设计要求,从而确定了该碳纤维增强塑料构件的最优结构.     

基于OSF和RSM的轻轨独立轮轴桥优化设计

基于目前机械结构优化设计未充分考虑结构动态特性对综合性能的影响以及工程优化设计效率低下的问题,提出了响应面模型仿真实验方法。通过结合最优空间填充设计和Kriging插值思想构建机械结构优化设计初始代理模型,并利用试验设计方法、误差较大区域加密优化、近似最优解局部加密处理以及内外层更新迭代思想,建立了在局部区域和全局空间内都具有较高近似精度的Kriging模型。在此基础上,基于筛选优化算法和多目标遗传算法得到目标函数的Pareto最优解。最后用轻轨用轴桥结构优化设计实例验证了该方法的有效性。     

类方形蜂窝夹芯胞元尺寸的等效力学性能与优化

为了提升类方形蜂窝等效力学性能，在推导了其尺寸参数与等效力学性能的函数后，将尺寸参数作为设计变量、等效力学性能为优化目标，建立了类方形蜂窝夹芯胞元优化数学模型，采用了多目标遗传算法进行优化设计。给出胞元尺寸单参数响应及多尺寸协同作用的响应分析并从多目标优化代表性解中选取到最优解。优化结果得到：当夹芯胞元尺寸参数l/t取114.3899、l/h取0.9598时，等效密度增加59.52%,y方向等效弹性模量减小了67.37%，但x方向等效弹性模量增大了109.77%，等效剪切模量增加了421.94%，类方形蜂窝夹芯的等效力学性能显著提升。研究结果对类方形蜂窝夹层结构的优化设计提供一定的依据和参考。     

机械腿关节连接块尺寸的多目标优化设计

以机械腿关节连接块为研究对象,首先在PRO/E环境下构建关节连接块的参数化三维实体模型;并运用Workbench多目标的全驱动优化设计模块进行零件尺寸优化设计。通过校核关节连接块的刚强度和尺寸优化计算,并根据实物模型特征要求确定了最佳尺寸值。结果表明,关节连接块重要尺寸的最优值将为外骨骼机械腿结构优化改进奠定理论依据。     

主从机械手手爪设计与优化

根据核电站使用机械手高可靠性要求,提出了手爪连杆机构设计方案。该方案采用钢丝绳拉动四边形连杆机构实现抓举动作。针对该方案,提出以机构的最优力传递性能作为目标,通过Matlab计算确定连杆最优尺寸。按照功能性和轻量化要求,完成整个手爪的结构设计。经过Workbench对机构强度进行有限元分析,运用子模型分析法得到精确的最大应力值,结果为该值超过了材料的许用应力,对外臂尺寸进一步尺寸优化。运用响应曲线法得到优化参数与优化目标之间的关系,据此得到最优参数。经过优化后的手爪满足了设计要求。通过这种设计方法设计出一种尺寸合理,结构可靠的机械手爪,并缩短了设计周期。     

一种三自由度运动平台机构的优化设计

在分析三自由度平台机构特点的基础上,以平台运动范围、平台台面尺寸要求等为约束条件,以平台可控性能和平台结构尺寸的加权综合最优为目标函数,采用加速遗传算法,对一款带防扭臂的三自由度平台的机构参数进行了优化,并将优化结果运用到平台的设计中。应用结果表明,该平台在保证良好运动性能的同时,满足了平台小型化的设计要求。     

三关节连杆欠驱动手爪参数优化

欠驱动手爪抓取的性能主要由其机构设计所决定的,然而各关节的几何尺寸参数和作用在关节上的力矩对包络抓取的稳定影响是未知的,面向多自由度欠驱动机构的包络抓取稳定性研究仍存在诸多难题。提出了一种以接触力相等为目标函数的方法,以传动角和传动比为约束条件,确定欠驱动连杆关节几何参数,设计连杆欠驱动机构。并建立其优化设计模型,利用目标优化函数求解了在约束条件下的最优解。为进一步优化关节尺寸几何参数和驱动参数以及结构设计提供了一种有效的方法。     

基于NSGA-II算法的超轻型火炮摇架多目标优化设计

针对超轻型火炮摇架减小质量、提高刚度的设计要求,基于有限元法和多目标优化设计方法,建立了摇架多目标优化数学模型。以摇架质量和刚度为优化目标,以摇架强度为约束条件,选择了摇架外形结构尺寸和摇架钢板厚度为设计参数,采用改进非支配排序遗传算法(NSGA-II)作为优化方法。通过优化得到了摇架Pareto最优解集,优化结果对超轻型火炮摇架设计具有指导意义,同时,该优化设计方法为处理薄壁结构优化问题提供了一种新的设计思路。     

基于拓扑优化与正交实验设计的结构设计

针对机械结构力学性能的要求、优化设计的要求,采用一种联合应用了拓扑优化与正交试验设计的设计方法,该方法中拓扑优化的目的是经拓扑优化而得到材料分布的理想结构,从而避免经验设计,同时因拓扑优化的结构复杂、曲面难于加工,拓扑优化后必须进行以拓扑优化结果为基础的,并考虑了加工工艺的初始结构设计,因此该方法中采用正交试验法对考虑了可加工性和经济性而对拓扑结构进行调整的结构进行参数化和优化,并在求解最优解的同时科学、有效的减少了计算量,从而形成最终的结构设计。结构设计中具有类似设计要求的设计,可以借鉴该方法或参照该方法得以解决。     

机械手臂结构优化设计

机械手臂的设计是目前机器人科学研究的一个热点。这里考虑手臂的抓重、材料和运动速度,对其进行优化设计。建立了优化设计的数学模型,使用MATLAB软件分析目标函数的性态并设计变量的可行域,求得机械手臂最优尺寸。在满足条件的情况下,使手臂质量最小,证明了该设计可以满足预设动作要求。     

基于VB外点惩罚函数法的实现

外点惩罚函数法是机械优化设计中一种常用来解决有约束问题求解的重要方法。基于VisualBasic6.0平台编写程序,设计实现外点惩罚函数法并进行实例验证,运用该程序可以满足在机械设计中的优化需要,从而缩短设计周期,保证设计参数的最优解。     

基于遗传算法的机械零部件可靠性优化设计

以发动机气门弹簧为例,考虑设计参数的离散性,建立了以部件可靠度为目标函数的数学模型,确定了设计变量、目标函数及约束条件,使用遗传算法通过选择、交叉和变异等操作使种群逐代进化,同时以全局并行搜索来优化群体,利用遗传算法进行优化运算并得到了全局最优解.设计结果表明:使用遗传算法可以有效地解决非线性和离散性的优化设计问题,能够得到全局最优解,既可保证优化结果,又提高了优化效率;该优化方法合理有效,能够解决非线性约束条件下的优化问题,是对现代机械可靠性优化方法的丰富,可广泛应用于机械零部件的优化设计.     

基于多目标遗传算法的摆线液压马达摆线副基本参数优化

针对摆线马达摆线副基本参数优化问题,提出了基于多目标遗传算法的优化方法。并根据模糊隶属度函数从Pareto最优解集中选取最优折衷解作为摆线马达摆线副基本尺寸参数。结果表明,该方法能使马达排量提高2114%,流量脉动率降226%。     

基于禁忌搜索算法的电磁场逆问题鲁棒优化设计

为了综合分析优化解的性能,讨论了参数不确定条件下电磁场逆问题的鲁棒优化性。分析了鲁棒优化设计方法,研究了鲁棒期望适值函数关键参数的估计方法。以寻求鲁棒最优解为目标,应用改进的禁忌算法,基于鲁棒性能期望适值函数,求解了典型数学问题和工程设计问题。通过计算比较叠加扰动最优解条件下的目标函数值偏差,其结果表明,该研究算法能够快速有效地搜索到鲁棒最优解。