提升高温应变计寿命及精度的结构优化方法研究

高温应变电测技术广泛应用于航空发动机热端部件应力状态测量,如何将高温应变计的各部分结构参数进行合理搭配,以提高应变计灵敏度及使用寿命,在工程中具有十分重要的价值。首先,针对影响高温应变计测量误差与疲劳寿命这两个目标,分别建立简支梁-测量误差模型与悬臂梁-疲劳寿命模型;然后,经有限元分析得到各个参数变化对应变计测量误差以及疲劳寿命的影响规律,进而筛选出待优化的参数;接着,采用遗传算法与响应面法相结合对高温应变计进行优化;最后,通过试验对最终优化结果进行验证。结果表明,单参数分析法能直观反映各个参数对应变计灵敏度与寿命的影响规律,基于响应面模型和多目标遗传算法的优化,可得出高温应变计栅丝直径、栅丝长度、栅丝间距、栅丝弯数、基底厚度5个参数的最佳参数组合;优化后的测量误差为0.255%,疲劳寿命达到2.384 6×10~7次循环;试验验证结果表明,多目标优化后测量误差降低了89.2%,疲劳寿命提升了10.14%。     

基于GA-BP与NSGA-Ⅱ的数控铣削参数优化研究

高效低碳制造是可持续发展的关键,而数控铣削作为常用的金属表面加工方法存在刀具寿命短、碳排放量高的问题。提出基于NSGA-Ⅱ的GA-BP多目标优化方法,通过分析不同加工参数条件下的数控铣削刀具寿命及碳排放数据集,建立GA-BP神经网络刀具寿命及碳排放预测模型。基于NSGA-Ⅱ算法建立以刀具寿命、碳排放量为目标的主体优化模型,调用构建的GA-BP神经网络模型作为目标函数进行优化求解,得到Pareto最优解集。对Pareto最优解集进行TOPSIS最优解决策,得到综合优化刀具寿命与碳排放量的加工参数组合。优化结果表明：该方法既可以对数控铣削刀具寿命及碳排放量进行准确预测,还可以对两者进行有效优化,对数控铣削参数优化具有一定的理论指导意义。     

基于响应面法的微操作平台多目标优化

为了提高微操作平台的操作空间和动态性能,基于响应面法对一种新型微操作平台进行了多目标优化设计。采用中心组合设计方法选取仿真试验点,根据试验点建立平台的参数化几何模型,应用软件ANSYS对平台进行静力学和模态分析得到其固有频率、位移放大倍数和最大应力的响应值。根据所得的仿真试验数据,采用最小二乘法和显著性检验建立反映平台性能指标的二阶多项式响应面模型。最后,计算了反映响应面拟合度的评价指标,验证了所建响应面模型的精确性。以微操作平台的放大倍数和固有频率为优化目标,强度为约束,建立了平台的多目标优化模型,采用多目标遗传算法对平台进行优化得到Pareto解集。从Pareto解集可知,固有频率与放大倍数之间是相互冲突的,故需权衡固有频率和放大倍数从Pareto解集选取最优解。比较优化前后平台的各性能指标可知,平台的固有频率增大了35.58%,放大倍数增大了2.33%,最大应力减小了38.97%,证明了提出的优化方法的有效性。     

糊底机托辊机构摇臂优化设计

为实现纸纱复合袋糊底机托辊机构核心部件摇臂的轻量化设计,提高其力学性能,以摇臂质量、疲劳安全系数和等效应力为优化目标完成摇臂的多目标优化设计。建立摇臂参数化有限元模型,根据受载工况,完成静力分析和疲劳分析。引入灵敏度分析方法,根据分析结果确定优化设计变量,并采用目标驱动优化中的筛选法得到Pareto最优解集,确定最优解集中的1个Pareto最优解作为最终优化方案,并完成试制。结果表明:优化后摇臂质量降低19.28%,疲劳系数提高3.29%,等效应力降低3.15%,试制机构的力学性能得到了显著提升,满足现场要求。     

光伏板清扫机器人支撑架轻量化优化设计

以光伏板清扫机器人支撑架为例提出了1种基于拓扑优化与响应面法相结合的轻量化设计方法。对支撑架受力进行有限元分析并对模型拓扑优化;然后利用Box-Behnken设计实验得到7个设计变量的数值模拟样点,通过响应面方法进行2次回归拟合得到响应面模型;最后,利用非支配多目标遗传算法对近似模型进行了迭代优化计算,得到Pareto最优解集。结果表明:轻量化优化后的支撑架的质量减轻了24.6%,应力下降了1.007 MPa。     

敏感栅结构参数对金属丝式应变计精度研究

金属丝式应变计作为内燃机测试中的重要工具,其测试精度直接关乎到实验结果的可靠性。为提高金属丝式应变计的精度特性,本文以应变计中敏感栅结构参数为变量,通过有限元仿真的方式来计算应变计的测试误差,并在此基础之上提出一种因粘贴应变计而带来的干扰误差。通过改变敏感栅的结构参数来对应变计的误差规律进行研究。结果表明：栅丝直径越大,误差越大;长度、间距、弯数的变化,使误差存在最小值;弯数的变化,使贴片处干扰误差不能忽略,其他结构参数的变化对干扰误差的影响可以忽略不计。     

一种新型大工作空间和解耦的微操作平台设计

为了实现空间微操作平台的大工作空间和解耦性,提出一种由差动式杠杆放大机构和导向机构组成的PPs运动支链,3个支链空间正交布置形成3维平动的3-PPs平台,并提出了一种能表征平台工作空间和解耦性的性能指标,采用响应面法对该性能进行优化。首先,采用有限元软件ANSYS建立参数化有限元模型,基于该模型得到平台的各性能指标值;然后,采用Plackett-Burman试验设计方法筛选对平台性能指标有较大影响的结构参数作为优化设计变量。采用中心组合设计方法选取试验样本点,计算各样本点对应的响应值,基于样本点建立反映各性能指标的响应面模型。反映响应面模型精度的评价指标R~2均接近于1,说明所建响应面模型能准确反映平台性能指标与参数之间的关系。最后,以平台解耦性能与工作空间为优化目标,强度为约束,建立其多目标优化模型,采用多目标遗传算法对其进行全局寻优得到Pareto解集。由Pareto解集可知,平台的解耦性与工作空间相互矛盾,权衡两个指标从Pareto解集中选取最优解。比较分析优化前与优化后的性能指标可知,平台解耦性指标减小了35.7%,工作空间增大了6.1%,说明所提出的性能指标和优化模型能满足空间微操作平台的设计要求。     

立式振动磨关键结构参数的多目标优化设计

以获得立式振动磨最佳粉碎效果为目的,建立了立式振动磨参数化仿真模型,采用拉丁超立方方法生成样本数据,构建了立式振动磨响应面近似模型且其精度达到可接受水平。以振动强度、撞击力最大,研磨介质体积最小为目标函数,采用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ对响应面近似模型进行多目标优化设计,得到Pareto最优解集和Pareto前沿图,为立式振动磨结构设计和参数选择提供理论指导。最后,通过立式振动磨的优化算例说明了该方法的有效性。近似模型方法能提高优化效率,且该研究也为其他复杂模型的设计优化问题提供了一种方法。     

基于多目标优化的乘用车后排座椅轻量化设计

提出第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)结合响应面法(RSM)-径向基神经网络方法(RBF)混合近似模型和逼近理想解排序(TOPSIS)方法对某乘用车后排座椅进行结构-材料一体化多目标轻量化设计研究。结合有限元理论建立仿真模型,并通过行李箱碰撞试验验证仿真模型的正确性,根据工程经验和座椅靠背骨架吸能分析确定了6个优化部件厚度、材料的设计变量及取值范围;采用RSM-RBF混合近似模型方法拟合设计变量与响应之间的关系;利用NSGA-Ⅱ算法对优化问题进行求解,得到Pareto最优解集。最后采用基于熵权TOPSIS方法对Pareto最优解集进行排序确定最佳折中解。结果表明:在满足各项安全性能法规的前提下,乘用车后排座椅减重3.57 kg。     

改进响应面法在身管可靠性优化中的应用

以某速射武器的身管为研究对象,对其烧蚀寿命进行可靠性优化设计,采用改进的响应面模型作为身管烧蚀寿命代理模型。结合遗传算法和高斯牛顿法进行响应面公式参数的拟合。首先用遗传算法求出参数初值,然后高斯牛顿法从这组初值出发迭代搜索响应面模型参数的最优解,最后以得到的响应面模型作为身管烧蚀寿命优化的功能函数进行可靠性优化。该方法充分利用了遗传算法善于进行全局搜索和高斯牛顿法精确的局部寻优能力的优点。结果表明,该方法得出的响应面模型的精度较高,以响应面模型代替有限元模型进行可靠性优化更为方便快捷。     

三维螺纹测量机接触式测头的优化设计

为削弱接触式测头对高精度三维螺纹测量机精度的影响,设计了一种接触式测头结构尺寸优化方案,并提出了相应的标定方法。通过有限元仿真和正交试验优化测头结构参数,确定最优结构参数;利用坐标变换理论和最小二乘法原理建立测头标定模型并进行了标定试验;通过不同预压量下的螺纹塞规对比试验及螺纹环规、塞规对比试验对优化后的测头进行测试。结果表明：接触式测头测量螺纹塞规、环规参数标准偏差在1 μm左右,满足三维螺纹综合测量机接触式测头测量精度要求。该优化方案及标定方法为测头结构设计提供了重要的理论基础。     

火炮身管-反后坐装置集成优化设计方法研究

为减小火炮发射时的后坐阻力,同时减小火炮身管质量,以节制杆结构参数、身管结构参数和内弹道装药参数为设计变量,以身管刚度、强度、寿命、弹丸初速等为约束,建立火炮身管-反后坐装置集成优化设计模型,并采用两种优化方法进行优化,再比较其结果。首先,采用加权组合法将两个目标函数归一为单个目标,应用模拟退火算法进行优化设计,优化后,后坐阻力减小53%,身管质量减小28%。其次,基于Pareto最优理论,采用遗传算法进行优化设计,获得了Pareto最优解集,给设计者提供了更多优化方案;根据工程经验,选取一组优化解,结果发现,对比原设计,后坐阻力减小504%,身管质量减小98%。研究表明,基于Pareto最优理论和遗传算法可以获得更好的优化方案。该研究提供的集成优化模型和算法为火炮身管-反后坐装置一体化设计提供了新方法。
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结构疲劳寿命稳健性优化设计

由于材料特性、构件的几何特性、载荷历程和环境条件等随机因素的影响,造成结构的疲劳寿命往往偏离结构的设计寿命.为了减少疲劳寿命的分散性,建立一种结构疲劳寿命稳健性优化模型.该模型将结构优化设计理论和随机有限元法相结合,在考虑设计变量和其他随机变量的变异性对结构疲劳寿命影响情况下,将结构疲劳寿命稳健性优化问题构造成包含结构疲劳寿命均值和标准差的双目标优化问题,并通过权因子来平衡结构疲劳寿命的均值和标准差关系,在约束函数中将结构疲劳寿命控制在最低寿命和最高寿命之间.经疲劳稳健性优化设计后的结构疲劳寿命在其均值处波动较小,而且分布曲线远离疲劳寿命底限.最后通过承受脉冲载荷的平面10杆桁架结构疲劳寿命稳健性优化算例显示了此方法的有效性.     

基于ANSYS车辆铲斗举升机构结构优化分析

铲斗举升机构是保证货物装卸顺利进行的最重要单元,受力情况复杂。针对车辆的铲斗举升机构进行优化设计,根据机构的结构特点进行力学假设,对模型进行简化,获取受力情况特点,在此基础上对系统各主要单元的受力进行分析;基于有限单元法对系统各部分进行建模,以受力分析结果作为加载条件,分析三种典型工况下各部分的应力分布,获取应力最大点;从工艺和结构角度对机构进行结构优化;基于应变片法,对优化后结构的实车进行测试,以检验模型分析和优化设计的可靠性。结果可知:举升机构可以满足强度要求,但存在部分位置应力集中的特点。在应力集中位置采用连接工艺和设计结构优化等相结合的方式,对应力集中位置进行改进;采用直角应变片对优化设计后的样车进行整个铲装过程应力测试,测试值与优化后的仿真值之间的误差小于3%,且比原设计仿真值具有平均8%的降幅,表明优化设计方案是可行的,为此类设计提供参考。     

System for automatic gauge block length measurement optimized for secondary length metrology

This paper presents a contactless system for automatic gauge blocks calibration based on combination of laser interferometry and low-coherence interferometry. In the presented system, the contactless measurement of the absolute gauge block length is done as a single-step operation without any change in optical setup during the measurement. The optical setup is combined with compact gauge block changer with a capacity of 126-ga blocks, which makes the resulting system fully automatic.The paper also presents in detail a set of optimization steps which have been done in order to transform the original experimental setup into the automatic system which meets secondary length metrology requirements. To prove the measurement traceability, we conducted a set of gauge block length measurement comparing data from the optimized system and the established reference systems TESA NPL A.G.I. 300 and TESA–UPC operated in Czech Metrology Institute Laboratory.     

Application of multi-objective controller to optimal tuning of PID gains for a hydraulic turbine regulating system using adaptive grid particle swam optimization

A hydraulic turbine regulating system (HTRS) is one of the most important components of hydropower plant, which plays a key role in maintaining safety, stability and economical operation of hydro-electrical installations. At present, the conventional PID controller is widely applied in the HTRS system for its practicability and robustness, and the primary problem with respect to this control law is how to optimally tune the parameters, i.e. the determination of PID controller gains for satisfactory performance. In this paper, a kind of multi-objective evolutionary algorithms, named adaptive grid particle swarm optimization (AGPSO) is applied to solve the PID gains tuning problem of the HTRS system. This newly AGPSO optimized method, which differs from a traditional one-single objective optimization method, is designed to take care of settling time and overshoot level simultaneously, in which a set of non-inferior alternatives solutions (i.e. Pareto solution) is generated. Furthermore, a fuzzy-based membership value assignment method is employed to choose the best compromise solution from the obtained Pareto set. An illustrative example associated with the best compromise solution for parameter tuning of the nonlinear HTRS system is introduced to verify the feasibility and the effectiveness of the proposed AGPSO-based optimization approach, as compared with two another prominent multi-objective algorithms, i.e. Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGAII) and Strength Pareto Evolutionary Algorithm II (SPEAII), for the quality and diversity of obtained Pareto solutions set. Consequently, simulation results show that this AGPSO optimized approach outperforms than compared methods with higher efficiency and better quality no matter whether the HTRS system works under unload or load conditions.     

基于塑性应变能的涡轮盘多轴疲劳寿命预测方法

在分析疲劳裂纹产生机理的基础上,将塑性应变能和临界平面结合起来,同时引入剪应变能比例因子,提出一种新的多轴损伤参量,通过试棒单轴低循环疲劳试验应力应变曲线得到总的塑性应变能,进而得到一种新的多轴疲劳寿命预测模型。通过对比分析,得到了最佳剪应变能比例因子。使用该模型、Chen-Xu-Huang(CXH)模型、Liu-Wang(LW)模型对某型发动机涡轮盘销钉孔低循环疲劳寿命进行预测,并与真盘试验结果进行对比。结果表明,该多轴疲劳寿命预测模型预测误差为20.5%,优于CXH和LW模型。     

膜片压力表关键部件膜片的有限元分析

石油化工行业的流体介质大多是强酸、强碱、高温、腐蚀性强等特性;此类介质的压力测量是不能直接用压力仪表进行测量的;而是采用膜片式压力表间接测量的方式,但是目前的膜片式压力表仍存在测量误差大,膜片损坏频率高的问题。通过利用三维CAD建模和FEMAP有限元分析技术对膜片式压力表的膜片进行分析,为膜片的优化设计提供了研究方法和理论依据;并提出了一种延长膜片寿命的阻尼式引压方式,经现场使用证明可以延长膜片压力表的使用寿命。     

基于Isight平台的房车空调送风参数优化

为了提高房车空调夏季降温效果，对房车空调的送风温度、速度、角度进行优化研究。利用CFD方法对房车内流场进行数值模拟。应用k-e RNG湍流模型，合理的设置热力学边界条件，并引入太阳辐射模型。以Isight软件为优化平台集成Fluent软件搭建房车夏季降温多目标优化设计流程。通过最优拉丁超立方试验设计方法设计样本点，采用径向基函数神经网络建立近似模型，并结合NCGA遗传算法对不同送风参数进行多目标优化。在Pareto最优解集中选取最优折衷解，并通过CFD仿真和房车静态温度实验对比验证。结果表明：建立的近似模型能很好取代内流场仿真进行多目标优化，优化后的结果使房车内部能够获得更好的气流组织形式，温度场、速度场更加合理。