1250t液压机滑块筋板的鲁棒优化设计.pdf

2 0 1 1年 5月 第 3 9卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I CS Ma v 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 9 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 9 ． 0 2 7 1 2 5 0 t 液压机滑块筋板 的鲁棒优化设计 杨国均 ，陆宝春 ， 一 ，宋拥政 ，项立银 ，丁 日春 一，丁玉兰 ’ 1 ．南京理工大学机械工程学院，江苏南京 2 1 0 0 9 4；2 ．江苏省重型锻压装备工程技术研 究中心， 江苏南京 2 1 0 0 9 4 ；3 ．南通锻压设备有限公 司，江苏南通 2 2 6 5 7 8 摘要滑块是液压机的重要受力结构 ，对其进行优化设计十分重要。运用邻域培植遗传算法 N C G A进行确定性优 化设计并进行 6 单点稳健校核，结果表明设计结果的稳健性较差；将 N C G A算法与 6 稳健优化方法相结合，在多学科优 化软件 i S I G H T中进行模型优化设计 ，结果 表明设计结果 的稳健性 达到 9 9 ． 9 9 9 9 ％ 。 关键词 滑块 ； 6 o “ 稳健优化方法；邻域培植遗传算法；多学科优化软件 i S I G H T 中图分类号 T H1 2 3． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 【 2 0 1 1 90 8 7 4 The Ro bus t Op t i mi z e d De s i g n o f 1 2 5 0 t Hy dr a ul i c Pr e s s Sl i d e Bl o c k Y A N G G u o j u n ． 一 ，L U B a o c h u n ，S O N G Y o n g z h e n g ，X I A N G L i y i n ，D I N G R i c h u n 一，D I N G Y u l a n ， 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a mi n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，N a mi n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4 ，C h i n a ； 2 ． He a v y F o r g i n g E q u i p m e n t E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f J i a n g s u P r o v i n c e ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4，C h i n a ； 3 ． N a n t o n g F o r g i n g E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ，N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 5 7 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h e s l i d e b l o c k i s a ma j o r s t r e s s s t r u c t u r e o f t h e h y d r a u l i c p r e s s a n d i t s o p t i m a l d e s i g n i s v e r y i m p o r t a n t ．N e i g h b o r - h o o d c u l t i v a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m N C G Aw a s u s e d f o r c e rt a i n t y o p t i mi z e d d e s i g n a n d 6 0- s i n g l e p o i n t r o b u s t e x a m w a s p r o c e s s e d ． T h e r e s u l t s h o ws p o o r r o b u s t n e s s i n d e s i g n ． B y c o mb i n i n g NC GA a n d 6 o -r o b u s t d e s i g n me t h o d， o p t i mal mo d e l w a s d e s i g n e d i n t h e mu l t i d i s c i pl i n a r y o p t i mi z e d s o f t wa r e i S I GHT． The r e s u l t s s h o w 9 9． 99 9 9％o f r o b us t n e s s i s r e a c h e d． Ke y wo r d s S l i d e b l o c k； 6 0 “r o b u s t d e s i g n me t h o d ； Ne i g b b o r h o o d c u l t i v a t i o n g e n e t i c a l g o r i t h m； Mu l t i - d i s c i p l i n a r y o p t i mi z e d s o f t wa r e i SI GHT 液压机工作 条件恶劣 ，载荷复杂 ，在生产 中不可 避免地要 遇到载荷 、结构尺寸 、材料特性 等不确 定性 影响及各种突发性外在 因素 的影 响 。如在早期设 计 阶段就考虑结构参数 如几何尺寸 、间隙等和物 理 、力学 参数 如 阻 尼 系数 、导 热 系数 、摩 擦 系数 和材料 的强度 极 限等 的波 动变 化 ，应 用稳 健设 计方法合理地选择结构尺 寸 ，可 有效地 提高结构性能 的稳定性 。 作者以1 2 5 0 t 液压机滑块为例，采用 6 o-稳健设 计 方 法 寻 找 筋 板 厚 度 的 最 优 参 数 。有 限 元 软 件 A B A Q U S具有强大 的二次开发 功能 ，通过 编写 P y t h o n 脚 本语 言可 以控 制 A B A Q U S内核 实 现 自动前 处 理 。 在基 于多学 科优化 软件 i S I G H T的基础 上 ，先进 行确 定性结构优化，再应用 6 o “ 稳健优化方法对滑块筋板 厚度进行了优化。该方法大大缩短了设计周期，而且 设计结果具有较高 的鲁棒性 。 1 基本原理与方法 1 ． 1 邻域培植遗传算法 N C G A N C G A方法是处 理多 目标 问 题 的 遗 传 算 法 ，如 图 1所 示 ， N C G A方法 的步骤是 1 初 始 化 。令 f 0 ，设 置第一代个 体 P n ，种群数 为 Ⅳ， 计算个 体对应 的适 应值 函数 ， 计入 A 。 ； 2 令 t z 1 ，J P A 一1 ； 3 排序。个体 P 按向聚 集 的 目标值 的方 向进行排序 ； 图 1 优化流程图 4 分 组 。P 根 据上 述 排序 分为 若 干组 ，每 组 由两个个体组成； 5 交叉 和 变异 。在 每 一组 中执行 交叉 和 变 异 操作 ，由两个父代个体产生两个子代个体，同时父代 个体被删除； 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 9 基金项 目江苏 省科技攻关重 点项 目 B E 2 0 0 7 0 4 7 作者简介杨国均 1 9 8 5 一 ，男 ，硕士研究生 ，主要研究方 向为液压机结构设计 、优化与仿真。电话1 3 8 5 1 8 3 6 9 3 4， E ma i l y a n g g u o j u n n u s t g m a i l ． c o m。 8 8 机床与液压 第 3 9卷 6 重组。所有子代个体组成一组新的 P ， ； 7 更新。将 A 一 1与 P 组合，按环境选择 E n v i r o n m e n t S e l e c t i o n 机制 ，从 2 N个个体 中，选 出 其中的 个个体； 8 终止 。如果 满 足终 止 条件 ，则 终止 仿 真程 序 ，否则返回至第 2 步。N C G A通过排序后分组 进行交 叉 的方法 实 现 “ 相邻 繁殖 ” 的机 制 ，从 而使 接近于 P a r e t o前沿的解进行交叉繁殖的概率增大 ，加 速计算 收敛 过程 ，从 而减少了仿真计 算的时间 。 1 ． 2稳 健优 化设 计 在实 际问题 中存 在不 少 影 响产 品质 量 的误 差 因 素 ，消 除这些误差 因素很难 ，即使 能做 到也要 花费很 大 力气 和很高的费用 。正确的做法是尽量降低误差 因 素的作用，使产 品性能对误差 因素变化的敏感性最 小 。根据这种指导思想 ，对产品性能 、质量和成本作 综合考虑 ，选择 出最佳设计 ，既提高 了产 品质量又 降 低 了成本 ，这种设计方法 叫稳健设计 。图2为确定性 优化与稳健优化 的 比较 图。确 定性优 化得 到的最优 解 并不是稳健 的 ，当随机 变量发生微小变化时 ，目标 函 数 产生很 大的波动 。而在稳健设计点 ，即使随机变量 发 生微小 变化 ，目标函数产生 的波动较小 。 非稳健 对随机 的适应 案的均值 图 2 稳健优化设计示意 图 稳健设计 是使 得 所设 计 的产 品 或 工艺 无论 在制造和使用 中 ，当结 构的参 数发生变差 ，或是在规 定的寿命内结构发生老化和变质都能保持产品性能稳 定 的一种工程设计方法 。若产 品质量 的好坏用质量特 性值接近于 目标值 的程度来评定 ，则 可认为 功能特性 愈接 近于 目标值 ，质量 就愈好 ，偏离 目标值 愈远 ，质 量就愈差。设产品的质量特性为， ， ，目标值为 ，考 虑到 Y的随机性 ，若用产品的平均损失来计算 ，则 E{ L Y } E{ Y Y 。 } E{ Y Y 0 歹 一 } o r ； 6 ； 1 其中歹E{ Y } 为质量指标的期望值或均值 ； E{ Y Y } 为质量指标 的方差 ，表示 了输 出特 性变 差的大小 ，即稳健性 ； E{ 歹一 Y 0 } 为质量特性 指标 的绝对偏差 ，即灵敏度 。 1 ． 3 6 0 - 稳健 优化 法 6 o r 稳健设计是将 6 o r 质量管理 、可靠性设计 和稳 健性设计相结合的一种现代设计方法，其要求产品质 量在均值 6 O “ 范 围波 动时 ，均满 足设计要 求 ，此时产 品可靠度达到9 9 ． 9 9 9 9 9 9 8 ％。 确定性最优化 问题采用 的数学模 型为 m i n F l ， 2 ， ⋯ ， 1 s ． t ． g 1 ， 2 ， ⋯， ≤ 0 I 2 ．。 ≤ ≤ ． J 式 中 、 ． 分别 为变 量 的许 用 下 限 和许 用 上 限 。 稳健优化设计 的数学模型 为 3 式 中m 为约 束 条 件 的 个 数 ；山 、∞ 为权 重 因子 ； p 为随机变量 的均值 ； 为随 机变量 的标准差；G r 为约束条件的标准差；n为 水平 ，当 ／ ／, 6时称 为 6 t r 稳健设计 。 2原模型介绍与有限元分析 文 中讨 论 的 液 压 机 是 1 2 5 0 t 框 架 式 液 压 机 ，采 用楔 块 预 紧 的方 式 ，相 比 与 螺栓 预 紧 的 液 压 机 ，楔 块方 式 预 紧 的 液压 机 具 有 装 机方 便 、受 力 更 为 合 理 的优 点。滑 块 是 框 架 式 液 压 机 的 主要 部 件 ，工 作 时 承 受 很 大 的 工 作 变 形 力 。 液 压 机 主 要 由 左 右 立 柱 、 上 横 梁 、 滑 块 、工 作 台、 移 动工 作 台和 液 压 缸 等 组 成。图 3为液压 机的结构 示意 图。 l 一 立柱2 一上横梁3 一滑块 4 _移动工作 台s 一工作台 图 3 液压机结构图 由于 滑块 为运 动部 件 ， 且在压制 工件时为重要受力部件 ，满载压制时 ，系统 压力最大达到 2 5 M P a ，滑块可以看做是处于静止状 态，所以作者采取静力分析。 材料特性如下 Q 2 3 5 ，密度 为 7 ． 8 61 0 k s ／ m ， 弹性模量 为 2 0 6 G P a ，屈 服极 限为 2 3 5 M P a ，强度 极 限为 4 2 5 M P a ，泊松 比为 0 ． 2 9 。 在滑块的整个运动 中，由于其是随着液压缸而 动 ，其 固定点也在其与 液压缸 的连接处 ，所以在分析 中 ，把滑块与液 压缸 相连的 3个表面进行 了 6自由度 全部位移 约束 。由于优 化对 象为三维结构 ，有较多的 {；； 是 ， ． F ≤ 小 n 一 ．量 T1 i 第 9期 杨国均 等】 2 5 0 f 液压机滑块筋板的鲁棒优化设计 8 9 细小特征 ，对结 果 没有 显 著影 响 ，需 要 对 滑块 做 近 似处理 。取载荷 1 ． 4 2 MP a加在 滑块 下方 上 ，将滑 块 4 个 导向面接触面做接触处理 。滑 块三维 立体结 构如 图 4所示 。 图 4滑块三维 图 3 参数化建模 在有限元分析软件 A B A Q U S里计算得 到优化前 的 滑块的应力结果 ，最大应力出现在滑块 与主缸 连接处 ， 达 3 3 8 ． 2 M P a 。如 图 5 所示 ，滑块 中部比周边结构应力 较大 ，因此需要对 中部筋板厚度进行结构优化 。 图 5 滑块优化前应力分 布图 作者 通 过 编 写 P y t h o n脚 本控 制 A B A Q U S内核 实现 自动前 处 理 和后 处 理 ，并 分 析 计算 结 果 。考 虑简 化后 的滑 块 结 构 简单 ，直 接 在A B A Q U S 建 模 ，设 计 变 量 有 7 个 ，筋 板1 ／ 4 平面 图 如 图 6所 ，一一 v／ ／ ／ ／ ／ y ／ ／／ ／ x I ／ ／ ≯ ／ ／。 ／ 图 6 筋板设计变量 图 示 ，得 到滑块 确定性优化数学模 型为 Mi n i mi z e ma x mi s e s V 1 2十2 33 40 ． 6 x 50 ． 5 x 7 S u b j e c t t o 2 x1 2 5 6 4 0≤ ≤6 0 2 0≤ ≤3 0 4 0≤札 ≤6 0 2 0≤ ≤3 0 2 0≤ ≤ 3 0 4 i S I G H T集成 作者 以多 目标优 化软件 i S I G H T为平 台集成 有 限 元软件 A B A Q U S ，调用 液 压 机 滑块 参 数 化 模 型 文件 h u a k u a i ． P Y ，并提 交给 A B A Q U S 求 解器进行 有 限元 分 析 运 算 ，得 到 并 提 取 目 标 响 应 结 果。 i S i g h t 软 件提 供 的邻域 培 植 遗 传 算 法 N C G A对 设 计 变 量 和 目 标 响应进 行 遗传 操作 ， 按照 设 定 的次 数 循 环 操作 ，流 程 如 图 7所 示 。这 样 就 把 整 个 优 化过 程 集 成 为 一 个 可 以 自动执行 的优化 系统。 图 7 i S I G H T运行流程示意 图 5确定性优化结果及稳健性评估 作者采用 N C G A算法 进行确定性优化 ，人 口规模 大小为 5 ，代数为 i 0 ，交叉类 型为 1 ，交叉率 为 0 ． 6 ， 使用突变优化，突变率为0 ． 0 6， 迭代 1 5 0步 ，N C G A 迭代过程如图8 、9 所示 ，得到最优结果如表 1 所示。 霸 略 图 8 最大应力 的 N C G A迭代过 程 图9 最小体积的 N C G A迭代 过程 表 1 确 定性优化最优解 X2 ／mm X 3 ／mm X 4 ／ram X5 ／mm x 7 ／mm 最 大应 力／ M P a 最小体积／ m m 由表 2可 以看 出最 大应力下 降 了 3 0 ． 5 4 ％ ，质 量 用宽度表示下降了 1 1 ． 6 4 ％ ，说明三维确定性优 化结果是 正确有效 的。 4 8 2 7 3 ， 6 3 6 6 q O 9 0， H 一 一 一 ～ 一 一 一 嘟 加 如 ” 4 8 4 _ 4 一 一 一 一 一 一 一 1 9 0 ， ． 5 3 5 一 一 一 ～ 一 觋 9 0 机床与液压 第 3 9 卷 表 2 确定性优化前后模型 对比 表3 确定性优化稳定性单点校核 平只有 1 ． 5 5 ，相应的稳健性值只有 6 7 ． 7 9 ％，体积确定 性优化 水平 只有 8 ，相应 的稳健性值 只有 8 9 ． 3 4 ％ ， 显然最大应力稳健性设计不能满足设计要求 。 6 基于 6 0 - 稳健性优化设计 在 N C G A的基础上进行 6 0 “ 稳健设 计 ，运行 2 7 4 0 步 ，稳健性 优化 结果 如表 4所示 。优化后得最大应力 2 2 3 ． 1 7 MP a ，最 小体 积 为 3 0 0 ． 6 3 m m 3 。由结 果可 以 看 出模 型的最小体积相对于确定性最优结果虽然有小 幅上升，最大应力下降，但是稳健性却得到了提高， 然后对确定性优化得到的结果进行 6 o - 单点稳健 水平达到 了 8 ，稳 健 性 分 别 为 9 9 ． 9 9 9 9 8 9 1 ％ 与 校核 ，结果见表 3 。可知 ，最大应力确定性优化 o r 水 9 9 ． 9 9 9 9 3 4 7 ％。 表 4 6 o - 稳健优化设计结果 7结论 为了优化滑块筋板的受力情况 ，建立了参数化三 维模 型 ，并对其进行 了 6 o - 稳健设 计 ，解决 了原结构 应力及质量较大 的问题 ，在随机参数 的影 响下应力 与 质量不稳 定的问题 ，达到 了稳健设计的 目标 。该方法 具有普遍适用性 ，可 以应用于其他结构 的优化 。 参考文献 【 1 】 娄晓红， 刘文清． 液压机产品中的质量问题探讨 [ J ] ． 制 造技术与机床 ， 2 0 0 9 8 1 1 31 1 5 ． 【 2 】芦新春． 稳健优化设计理论及其在传动机械的应用关键 技术研究[ D] ． 江苏 江苏科技大学， 2 0 0 5 ． 【 3 】郑赞韬， 蔡国飙， 尘军． 用于概念设计的离心泵叶轮多目 标优化[ J ] ． 航空动力学报， 2 0 0 7 9 1 5 5 41 5 5 9 ． 【 4】赵秀婷， 张文明， 申炎华， 等． 基于 I S I G H T的湿式多盘制 动器稳健设计[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 6 1 1 3 6 3 9 ． 【 5 】李玉强， 崔振山， 陈军， 等． 基于响应面模型的 6 稳健 设计方法[ J ] ． 上海交通大学学报， 2 0 0 6 2 2 0 1 2 0 5 ． 【 6 】银波， 徐典 ， 安亦然， 陈耀松． 基于 i S I G H T平台的三维机翼 气动优化设计[ J ] ． 应用数学与力学， 2 o o 8 5 5 4 4- 5 6 0 ． 山东科技大学成功研制 自主知识产权 O R S o C芯 片 近 日，由山东科技大学信息学院陈新华、张德学承担的青岛市科技局 “ 基于 O R 1 2 0 0嵌人式 S o C网关集成 电路的设计及 A V S实现”项 目，研制的 “ 3 2位嵌入式 S o C安全家电网关芯片--O R S o C ”继去年于中芯国际 S M I C流片成功后 ，在复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室测试成功，取得了嵌入式 S o C集成电路系 统设计的重大突破 。 O R S 0 C芯片采用 中芯 国际 S MI C C MO S 0 ． 1 8 1 P 6 M工艺 ，主频 1 0 0 MH z ，核心裸 片面积 5 m m x 2 ． 5 m m，共 1 7 8引脚 ，1 0 0万 门级规模 ，核心功耗约 4 0 0 M V。芯片 内集成 了开源 的 3 2位微处理 器 O p e n R i s c 1 2 0 0 C P U，有 丰 富的网络接 口以及 L C D、G P I O、S P I 等接口；还集成了S D R A M控制器 、F l a s h控制器、A E S硬件加解密模块等。 可运行 L i n u x 、u C l i n u x 、u C ／ O S I I 等操作系统，支持网络安全通信 ，集成度高 ，安全性强。该芯片只需添加少 量外部设备 ，即可应用于各种信息家电网关 、物联网关 ，构建中高端消费电子产品、各种嵌入式系统、高实时 性要求的各种控制系统和控制领域。 该芯片已申请3项国家发明专利 ，它的研制成功标志着山东科技大学已具备嵌入式 S o C集成电路芯片全流 程设计的能力 ，更有助于改善 目前国内多数网关和消费类电子应用国外芯片的状况 ，对国内集成电路产业的发 展具有十分重要的意义。 内容来源 机电商情 网