柔性机构拓扑优化设计研究

介绍了柔性机构拓扑设计现状,讨论了柔性拓扑优化设计模型的建立,非线性求解技术和伴随矩阵敏度分析技术,并给出简单的算例说明算法的可行性.最后指出了机构拓扑优化设计的发展方向、需要解决的问题以及可能解决的方案等.     

含有Heaviside密度映射的构型平稳变化的柔性机构拓扑优化设计

现有柔性机构拓扑优化方法在解决柔性机构拓扑优化的类铰链和灰度问题仍存在一些困难。为获得清晰和不含类铰链的优化拓扑,提出了一种构型平稳变化的结构拓扑优化求解方法。首先,构建了一种能综合表征柔性机构输入和输出端的局部刚度特性的加权组合柔顺度函数;而后,引入加权组合柔顺度的小量变化约束、Heaviside密度映射和变约束限方案,建立了柔性机构构型平稳变化的优化模型;最后结合MMA算法,形成了一种构型平稳变化的柔性机构拓扑优化方法。给出的算例结果表明,相比于现有方法,该方法计算公式简单,可获得清晰且无类铰链的拓扑构型。     

考虑不确定性的柔性机构拓扑优化设计

柔性机构在制造和运行过程中会存在各种不确定因素。基于多椭球凸模型描述,考虑荷载及材料属性的不确定性,采用人工弹簧方法和几何非线性有限元分析手段,提出以输出端位移最大化为目标、具有最小输入端性能约束的柔性机构拓扑优化数学模型。采用伴随法给出设计变量灵敏度计算公式,提出数值计算不稳定性的简易处理方法,利用数学规划法实现优化问题的求解。反向器机构和微夹钳机构的设计算例验证了所提出优化模型的正确性及算法的有效性,并通过与确定性设计结果的比较,说明了在柔性机构拓扑设计阶段考虑不确定性的重要意义。     

分布式柔性机构拓扑优化设计的理论和算法

将连续体结构的拓扑优化技术应用到分布式柔性机构的设计中,基于变密度法和优化准则法推导并建立柔性机构拓扑优化的一种显式的设计变量收敛格式。结合分布式柔性机构优化设计的人工弹簧模型和虚拟载荷法,提出一种新型的分布式柔性机构拓扑优化设计的多准则优化模型,同时综合考虑柔性机构设计的机械效率要求和结构的刚度要求,并利用伴随敏度分析法进行敏度分析。数值算例证明研究方法的有效性,并分析和讨论优化模型和收敛格式中有关优化设计参数对柔性机构优化设计结果的影响。用激光快速成形技术验证柔性机构概念设计的合理性。     

三平移全柔性并联机构多目标拓扑优化设计

为满足精密定位和微纳制造领域对全柔性并联机构构型设计的需求,基于三平移并联机构原型,采用多目标拓扑优化理论,得到了一种结构配置较佳的新型全柔性并联机构。首先,基于单目标的柔度优化模型和固有频率优化模型,运用线性加权法建立了机构的多目标拓扑优化模型。然后,基于HyperWorks/OptiStruct软件和优化准则算法对机构进行拓扑优化设计,得到了拓扑优化后的新型全柔性并联机构。最后,通过HyperMesh软件对拓扑优化前后的机构进行静力学分析和模态分析,从而验证了多目标拓扑优化设计的有效性。     

基于郊狼优化算法的柔性作业车间调度问题

针对传统元启发式算法求解柔性作业车间调度问题(Flexible Job-shop Scheduling Problem,FJSP)时,存在易陷入局部最优、寻优结果不稳定等缺点,首次将郊狼优化算法(Coyote Optimization Algorithm,COA)应用到柔性作业车间调度问题中,提出一种基于郊狼优化算法的柔性作业车间调度问题优化方法。首先,以最大完工时间最小为目标对FJSP进行描述和建模;然后,提出一种基于工序的实数单链编码方式,同时满足FJSP的表达和基于COA的求解,对COA算法流程进行设计,建立一种求解FJSP的COA流程;最后,根据标准算例进行仿真,证明了基于COA求解FJSP的可行性,通过与遗传算法和粒子群优化算法进行仿真对比,验证了COA求解FJSP的优越性。     

基于拓扑优化的3-PRPR全柔性并联机构设计及分析

全柔性并联机构具有分辨率高、运动灵活、动态特性好等优点,但其构型设计往往不能满足微定位和精密加工制造领域的需求。基于并联机构原型,以几何约束为条件,设计出与并联机构原型空间运动特性一致的3-PRPR全柔性并联机构。利用Hyperworks软件行拓扑优化,设计出优化后的3-PRPR全柔性并联机构。分别对这两种3-PRPR全柔性并联机构进行有限元及模态分析,仿真结果表明:在实现相同运动特性的前提下,优化后的3-PRPR全柔性并联机构不仅节省材料,而且在刚度和抗振性方面更优于优化前的机构。     

基于维修时间窗的柔性作业车间调度优化研究

针对柔性作业车间调度和预防性维护的单目标集成优化问题,以最大完工时间为优化指标,建立了基于维修时间窗的集成优化模型,设计了混合“教与学”优化（HTLBO）算法求解该模型。提出一种“基于工序加工时间最短”的机器序列初始化策略,对部分初始种群进行初始优化,以提高部分初始解的质量,使得算法能够以较短的时间收敛。对文献中柔性作业车间调度的基准问题进行求解并比较其计算结果,初步证明该混合算法的可行性;针对集成维修时间窗的柔性作业车间调度优化模型,借鉴文献中的数据生成实例进行求解,并与其他算法进行比较,证明该混合算法的有效性。     

基于混合遗传鲸鱼优化算法的柔性作业车间自动导引车融合调度方法

针对柔性作业车间调度问题,考虑自动导引车(AGV)在车间制造过程中只参与装卸和搬运工作,提出一种实现AGV路径规划与柔性作业车间调度集成优化的融合调度模型。采用基于工序排序与机器选择两个子问题的二维向量编码方案,并在解码过程中提出基于最先服务原则的AGV安排策略。对鲸鱼优化算法进行离散化改进,针对性地设计了多种种群初始化策略,引入遗传算法的交叉、变异操作以提升鲸鱼优化算法的全局搜索能力,并嵌入局部搜索算法以达到全局搜索和局部搜索的平衡,构建了一种混合遗传鲸鱼优化算法（HGWOA）来求解该融合调度模型。通过经典测试算例验证了算法性能,并使用正交试验优化了算法参数。研究结果表明,HGWOA算法用于求解柔性作业车间AGV融合调度问题可以获得较好的效果。     

柔性机构可靠性优化的均值-概率分解协调法

为了减少柔性机构总体设计质量,结合可靠性优化的均值模型、概率模型和普遍型分解协调方法,提出了柔性机构可靠性优化的均值-概率分解协调法。该方法首先把柔性机构整体优化模型通过普遍型分解协调法转化为单约束的均值模型主规划优化和多约束的概率模型的分规划优化;在分规划优化中,把所有失效模式的概率约束转化为确定型约束;利用导重法分别对分规划和主规划求解。通过双连杆柔性机械臂实例进行了分析和计算,结果表明:在柔性机构可靠性中,均值-概率分解协调法的优化结果最好。该方法为柔性机构可靠性整体优化提供了一种优化的新思路。     

轻型货车EQ1060F车身的结构优化设计研究

主要研究轻型货车 EQ1 0 6 0 F驾驶室车身结构优化设计中的一些关键问题 ,包括结构有限元分析、优化方法选择、敏度分析和结构重分析 ,选择了序列二次规划法用于结构优化问题且收敛效果较好。该研究为汽车车身设计提供了一条新的设计思路。     

轻型货车EQl060F车身的结构优化设计研究

主要研究轻型货车EQl060F驾驶室车身结构优化设计中的一些关键问题,包括结构有限元分析、优化方法选择、敏度分析和结构重分析,选择了序列二次规划法用于结构优化问题且收敛效果较好。该研究为汽车车身设计提供了一条新的设计思路。     

基于产品功能分析与结构优化的机械设计方法

在对机械产品功能和结构分析的基础上,建立了一种机械设计的分析和评价方法。该方法首先对产品进行功能分析和分解,形成若干产品子功能,在对子功能的实现机构进行分析和比较的基础上,应用功能—机构优化算法对产品的机构选择方案进行评价。通过对所选机构的结构组成进行分析和优化,形成最终的产品实现方案。最后,通过实例验证了该设计方法的可行性。     

基于VE-ANP的产品功能设计研究

针对摩托车产品设计中难以准确识别出价值系数较低零部件这一问题,对摩托车产品功能设计进行了深入研究,分析了性能和功能之间以及各功能之间的联系,建立了功能分析系统技术图、功能设计模型;针对常用算法难于解决模型中功能重要度系数的问题,对摩托车产品功能与零部件之间的映射关系进行了研究,并建立了摩托车产品功能、零部件映射图;采用了ANP的方法求解摩托车产品的功能重要度系数,并给出了ANP方法求解功能重要度系数的具体求解步骤。最后,通过一具体的工程实例验证了摩托车产品功能设计模型的正确性及ANP方法的可行性。     

薄壁覆盖件的结构优化设计

研究了薄壁覆盖件结构优化设计中的一些关键技术，包括薄壁覆盖件的结构有限分析、优化方法选择、敏度结构重分析，选择了序列二次规划法用于结构优化问题，睡敛效果较好 。以汽车车身为例，对其进行了结构优化设计，计算结果适用，所编制的软件（ＯＰＴＳＨＥＥＴ）使用方便可靠。     

基于高效差分敏度的连续体静动态形状优化

总结归纳了连续体形状优化中的敏度分析方法,提出了近似—差分的敏度求解策略。该策略通过近似重分析对扰动结构进行快速分析,运用差分法进行计算得到结构响应量敏度值,从而克服了差分敏度求解计算量大的缺点,同时在结构小扰动情况下可保证近似结果精度。以可动边界关键点的虚拟位移为设计变量,建立连续体静动态形状优化模型。考察了不同类型约束下的形状优化算例,结果表明,所提方法和模型具有可行性和通用性。     

空间杆系结构布局优化的能量法

杆系结构作为航天器的支承结构,已经被广泛地应用于各类天线展开机构中。杆系结构的构型设计对航天器整体构架性能是至关重要的。从能量的观点,采用满应力设计方法,对空间多自由度杆系结构进行了布局优化研究,通过对不同构型优化结果的分析比较,提出了空间杆系结构布局优化原则,对高效率杆系方案的选取和设计具有指导意义。     

克里金模型及其在全局优化设计中的应用

介绍了克里金模型的基本理论,并采用以克里金模型为近似模型的贝叶斯分析算法,对函数关系复杂、难以计算情况下的全局优化问题进行求解.该算法使用实验设计的方法选取初始样本点,通过样点填充准则找到新的样本点来更新克里金模型,不断循环,从而找到全局最优点.通过实例计算证明,与传统优化算法相比,此方法计算速度快、精度良好.     

齿轮系统倍周期分岔和混沌层次结构的研究

针对考虑间隙和时变啮合刚度的强非线性齿轮系统动力学模型,讨论了混乱带中倍周期分岔现象及混沌的层次结构问题。利用频谱分析法对周期运动和混沌运动进行判断,并对嵌于不同混乱带中的周期轨道进行区分。运用分频采样法求解强非线性齿轮系统主倍周期分岔序列与混沌带合并序列,以及混沌带中周期窗口和混沌窗口共存的层次结构问题。通过分析揭示了强非线性齿轮系统存在着复杂的分岔结构和普适规律,并为深入研究机械系统非线性动力学行为的性态提供参考。