细化Kriging模型在轻轨车轴优化设计中的应用

基于仿真试验,根据低地板轻轨车轴的结构特点和性能指标,将Kriging插值和拉丁超立方抽样试验相结合来构造车轴多目标优化的代理数学模型,并通过多目标遗传算法寻找该代理模型的最优解作为车轴参数的设计依据。为了使所构造的Kriging响应面能准确高效地代表稳健优化目标和约束函数,将Kriging模型在响应面精度检验时的样本点和多目标遗传算法所产生的最优解检验点进行更新,直到达到精度要求为止,从而保证所建立的响应面模型具有较高的全局拟合精度和最优解拟合精度。     

基于响应面法的丢手释放接头优化设计

为优化丢手释放接头的结构强度和重量,提出以应力和质量为目标函数的多目标优化设计方法.将响应面设计方法与有限元数值分析结合,建立了应力和质量关于结构参数的响应面模型,分析了参数间的交互效应.基于响应面模型,通过多目标优化分析获得了释放接头的最佳结构参数配置.优化后的结构应力下降19.5％,而质量增长较小.数值及实验验证表...     

基于多目标的刨切机床身结构优化设计

以某数控刨切机床身为研究对象,提出一种基于灵敏度分析与结构优化设计相结合,以床身质量、最大静变形和一阶固有频率为优化目标的床身优化设计方法。建立床身有限元模型,对其进行动静态特性分析,通过对床身主要设计参数进行拉丁超立方试验设计,在此基础上,对各设计参数进行灵敏度分析并建立响应面模型,确定影响床身质量和床身动静态特性的关键参数,运用多目标优化算法对床身进行优化求解,根据优化结果,得到最佳优化方案。结果表明:床身质量减少 5.82% ,最大静变形减小 6.71% ,一阶固有频率提高 6.11% ,该优化方法在提高床身动静态特性的基础上,减轻了床身质量,为床身优化设计提供理论参考。     

摆线齿轮成形磨削机床立柱的多级优化研究

针对摆线轮成形磨床立柱优化过程中的复杂性,提出一种综合拓扑优化、结构仿生、尺寸优化的多级多目标优化设计方法,实现了立柱质量、一阶固有频率、最大应力及变形位移综合目标优化。以应变能最小为目标函数,以体积分数为约束,采用拓扑优化设计方法,确定了复杂载荷下摆线轮成形磨床立柱材料的最佳分布。以王莲叶脉和芭蕉叶柄为仿生目标,采用结构仿生优化设计方法,在立柱内部仿生空间设计仿生筋板,最大限度提升立柱整体性能。采用响应面模型遗传算法对立柱内部复杂结构尺寸进行优化,得到尺寸最优解。结果表明：在受载相同的情况下,优化后的立柱质量减轻18.4%,立柱最大应力减少23.6%,变形位移减少0.6%,一阶固有频率有所提升。     

一种码垛机器人小臂的轻量化设计

为降低码垛机器人小臂质量,提高其动态性能,降低能耗。基于有限元静力学分析、模态分析,以质量最小为优化目标,以结构参数为设计变量,以第一阶固有频率不降低、最大合位移和最大等效应力允许值为约束条件,利用实验设计和响应面法建立目标函数和约束函数的代理模型;通过优化求解,得到小臂的优化模型。通过对比分析,在保证固有频率、结构刚度和强度在允许范围内的情况下,小臂的质量减轻了41.89%。文中提出的优化设计方法具有明显效果。     

基于RSM和NSGA-Ⅱ法的重载机械臂结构优化设计

文中针对桥隧复杂环境下多相受力机械臂的结构优化研究,建立了关于重载机械臂的臂架结构的有限元分析模型和结构力学模型。首先根据结构力学模型选取优化设计参数,并采用拉丁超立方抽样方法设计优化样本点,其次构建二级伸缩臂的响应面近似模型,最后建立以质量最轻为设计目标的优化模型,根据响应面复相关系数判断该响应面拟合准确度。在获得响应面模型后,运用多目标遗传算法寻求二节伸缩臂结构参数设计的Pareto前沿解并以此为基础选择优化方案。研究结果表明,伸缩臂的质量减少12.90%。相较于传统结构设计的经验化设计,既节约材料又能满足力学性能的要求,对同类结构的优化问题具有一定指导意义。     

基于近似模型的在轨加注站贮箱多目标优化设计

为了提高在轨加注站贮箱的结构稳定性并减小贮箱质量,提出了以推进剂装载质量为约束条件,贮箱质量、1阶固有频率、最大形变量为目标函数的多目标优化设计方法。通过参数化建模、模态分析、拉丁超立方试验设计、4阶响应面近似模型及NSGA-Ⅱ算法对贮箱进行多目标优化设计。与有限元计算结果对比表明:在满足推进剂装载质量的条件下,贮箱质量减少32.95%,1阶固有频率提高36.30%,最大形变量减少17.03%,说明所提出的优化设计方法能够精确并高效实现对贮箱多目标优化设计。     

螺栓—法兰连接结构的多目标优化设计研究

螺栓—法兰连接结构是工程中一种重要的连接方式,强度和质量是其主要性能指标。将有限元法与最优化方法结合起来,可以很好地实现螺栓—法兰连接结构的多目标优化设计。文中基于响应面法确定法兰结构的几何参数组合,利用有限元分析软件Ansys对不同参数组合情况下的法兰结构进行应力场分析,获得响应面模型,然后通过MAT-LAB多目标优化设计方法,计算得到法兰结构的最优几何参数。数值计算结果表明,优化几何参数后的螺栓—法兰结构比原结构最大等效应力下降13.6%,质量下降12.5%。     

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。     

基于多岛遗传算法和响应面模型的机床床身的轻量化设计

以某型号深孔钻镗床床身为研究对象,为实现床身轻量化设计要求,提出了一种将响应面模型和多岛遗传算法相结合的优化设计方法。通过对床身的静、动态特性分析,确定了以床身体积最小为优化目标,以床身最大变形、首阶固有频率为约束条件的优化模型。利用最优拉丁超立方试验设计方法在设计空间内产生样本数据点并进行数值模拟。采用最小二乘法建立了二次多项式响应面近似模型,并利用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明:在保证机床性能的情况下,床身质量减小了11.2%,实现了床身的轻量化设计。     

应用响应面法的电机支架多目标优化设计

针对汽车电机支架在增大载荷力条件下的结构优化问题,利用响应面法和多目标优化算法相结合,对电机支架进行有限元分析和多目标结构优化设计.以应力值和支架质量为优化目标,通过表面中心复合实验设计和响应面方法构建响应面模型,并在此基础上应用Hammersley筛选法对其进行多目标优化求解.优化结果表明在载荷力增大8.3％的情况下,优化后电机支架的最大应力降低9.7％,质量降低3％,满足预期结构优化目标.     

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。     

基于响应面法和拓扑优化的四旋翼无人机机架结构优化研究

机架是四旋翼无人机的重要支撑结构，机架结构的强度和刚度直接影响飞行安全，机架结构的轻量化是实现无人机长续航、高效率的关键，机架结构的振动稳定性也是设计的重要考虑因素。基于响应面法和拓扑优化方法，对某型民用无人机机架结构进行了优化设计研究。首先建立数学模型，将优化问题转化为机架结构的质量和强度的双目标优化问题，采用响应面法对机架结构参数进行重新设计，寻找最优参数组合，再通过拓扑优化方法，在保证结构强度的同时，对新机架进行减重设计，最后，经优化设计后的新机架减重56.2%，并且结构材料分布合理，结构位移量小且各阶模态均不会发生共振，满足设计要求。     

基于响应面法的负泊松比蜂窝芯结构多目标优化

以负泊松比六边形蜂窝芯结构为研究对象,以提高蜂窝芯结构抗振能力和尽可能减小其结构质量为研究目标,运用响应面理论模型,建立了蜂窝芯结构的低阶模态固有频率的近似显式表达式;采用加权系数法,将固有频率和结构质量的多目标优化问题转化为单目标优化,结合遗传算法进行目标优化。具体算例表明,参数优化后的蜂窝芯结构固有频率提高了25%,结构质量减小了10%,这为超弹性蜂窝蒙皮结构设计提供了很好的依据。     

基于NSGA_Ⅱ算法的双驱动进给系统结构优化

为了满足双驱动进给系统轻量化和高抗振性能要求,提出了以质量、最大耦合应力和一阶固有频率为目标函数的进给系统多目标优化设计方法。采用灵敏度法选取优化参数,通过正交试验设计方法建立了进给系统的二阶响应面模型,并将非劣排序遗传算法Ⅱ（NSGA_Ⅱ）作为求解算法。计算结果表明工作台质量减小0.3%,最大耦合应力减小5.9％,一阶固有频率提高了9.32%。以双驱动进给系统的工作台为研究对象进行了结构多目标优化设计,并将优化前后双驱动进给系统进行了动态试验测试,验证了所提出的优化方法的正确性。     

高速列车蓄电池箱共振可靠性优化

高速列车蓄电池箱在受到激励频率的作用下会发生共振.为了提高蓄电池箱的共振可靠性,将可靠性分析与优化设计相结合进行高速列车蓄电池箱共振可靠性优化.首先通过模态分析得到蓄电池箱的固有频率,依据激励频率与固有频率的关系准则,建立蓄电池箱共振的失效函数,利用可靠性分析得到蓄电池箱的共振可靠度.然后采用灵敏度分析选取优化设计变量,利用最小二乘法拟合出优化目标和约束条件的响应面模型.最后以蓄电池箱共振可靠度为优化目标,一阶固有频率和质量为约束对蓄电池箱进行共振可靠性优化.优化结果显示,可靠性最优解远离约束边界,而且在提高蓄电池箱共振可靠性的同时减轻了结构质量.研究成果为蓄电池箱的进一步改进提供了理论依据.     

基于复合材料固化变形的铺层顺序优化方法

引入反映铺层顺序的代理模型,通过数值实验计算了不同铺层顺序下结构的铺层顺序参数,失稳特征值和固化变形大小,在此基础上分别构造了固化变形和失稳特征值对铺层顺序参数的响应面模型,并根据所得响应面模型优化得到最优的铺层顺序参数,再通过铺层顺序的反向设计得到实际的铺层顺序。结果表明:在满足结构稳定性约束条件下,通过铺层顺序优化可以减小固化变形大小,基于代理模型的铺层顺序优化方法可以显著提高铺层顺序的优化设计效率。     

变载荷铣削力影响下的加工中心床身结构优化设计

针对加工中心工作过程中变载荷铣削力对床身结构性能的影响问题,对加工中心床身的材料密度分布以及构成床身的基本结构单元尺寸进行了研究。提出了以床身低阶固有频率和最小柔度为目标,体积分数为约束条件的多目标拓扑优化设计方法;采用折中规划法结合平均频率法,构建了变载荷铣削力影响下的多目标拓扑优化数学模型;依据变密度法拓扑优化指导的材料去除方案,获得了加工中心床身的最佳结构布局;同时结合经过优化的拉丁超立方采样,构造了单元标准二阶响应面,使用多目标遗传算法对床身进行了多目标尺寸优化。研究结果表明:优化后床身固有频率增加16.9%,床身质量减少17.4%,最大变形量降低14.4%,最大应力降低18.8%;该优化方案使加工中心床身的结构布局更加合理,实现了轻量化设计。     

自由曲面轮廓仪机架多目标优化设计

针对复杂机床结构优化过程中,通常难以处理各个设计参数之间的关联关系的问题,提出了一种结合数值模拟和优化算法进行多目标优化设计的方法。在Isight平台中调用SolidWorks和Workbench插件进行试验设计,通过最优拉丁超立方试验设计方法（optimal latin hypercube algorithm,OLHA）设计样本点,用生成的样本点构建泛克里金近似模型,并使用交叉验证证明模型的可靠性和有效性,以最大位移变形量最小和一阶固有频率最大为优化目标,运用多岛遗传算法（multi-island genetic algorithm,MIGA）进行寻优计算来获取最优解。优化后的一阶固有频率为221.31 Hz,较优化前增加了8.43%,最大变形为0.001 888 mm,减小了18.45%,实现了机架的多目标优化设计。     

多材料——多零件规格组合结构多目标优化的应用

提出一种包括零部件系统的材料类型、零件规格、零件厚度的组合结构并以质量及成本最小化为目标的多目标优化方法.常规的轻量化设计往往在零件材料或者零件规格单一化的基础上对零件厚度进行优化设计.推导出这种多材料-多零件规格组合结构的多目标优化的数学模型.通过将材料类型而不是材料的多个属性、零件规格而不是零件的几何和价格属性定义为离散变量,大大降低了优化问题的复杂程度.采用最优拉丁试验计及最小二乘响应面方法构建多目标优化系统的各个目标及约束性能参数的近似模型.利用多目标遗传优化算法NSGA-II (非支配解排序遗传算法)对多目标优化模型进行优化.利用此方法对某转向盘进行轻量化设计,为验证优化结果建立转向盘抗压试验台架.结果验证了该方法的可行性.