【模板】機械專業(yè)畢業(yè)設計(論文)任務書.doc

畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）任務書 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機械 姓名 下發(fā)日期 題目題目 專題專題 主主 要要 內內 容容 及及 要要 求求 主要技主要技 術參數術參數 進進 度度 及及 完完 成成 日日 期期 教學院長簽字日 期教研室主任簽字日 期指導教師簽字日 期 指 導 教 師 評 語 指導教師: 年 月 日 指 定 論 文 評 閱 人 評 語 評閱人: 年 月 日 答 辯 委 員 會 評 語 指導教師給定 成績(30%) 評閱人給定 成績(30%) 答辯成績 （40%） 總 評 答辯委員會主席 簽字 評 定 成 績 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 i 摘要摘要 v 帶傳動是機械中廣泛運用的一種傳動方式，基于該傳動的傳統(tǒng)設計方法由于計 算方法和手段等條件的限制，難以找出最優(yōu)設計方案。本文擬在對 v 帶傳動設計進行 深入分析研究的基礎上根據實際問題需要建立相應的數學模型，采用遺傳優(yōu)化方法進 行求解，通過設計適當的算法和編制相應的軟件實現該傳動的優(yōu)化設計。本文主要研 究了以下內容： 通過對優(yōu)化問題的分析，以帶輪體積和最小為優(yōu)化目標，并以小帶輪的基準直徑 和基準帶長為設計變量，以小帶輪直徑，小帶輪包角，中心距，帶速及 v 帶根數等限 制為約束條件，建立了 v 帶傳動優(yōu)化設計數學模型。在約束中小帶輪直徑約束、帶速 約束在求解過程中可以自動滿足，而對于其余約束，采用靜態(tài)罰函數法處理，將約束 優(yōu)化問題轉換為無約束優(yōu)化問題。 在遺傳算法進行模型求解時，采用整數編碼，并運用輪盤賭選擇機制，算術交叉 法和非均勻變異方法。由于本問題的優(yōu)化目標是帶輪體積和的最小值，用輪盤賭選擇 的個體為適應度最大者，為此將目標函數映射成適應度函數，并在轉換時滿足適應度 單值、非負、連續(xù)、最大化的要求。針對整數編碼，用 1 到 numd 之間的整數與小帶 輪基準直徑的標準值一一對應，由 1 到 numld 之間的整數與基準帶長的標準值一一對 應，最終由一個長度為 2 的整數編碼構成一條染色體。 最后，通過 vb 編制了優(yōu)化設計程序。 關鍵詞關鍵詞：普通v 帶傳動；優(yōu)化設計；遺傳算法；整數編碼；vb 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 ii abstract v-belt transmission is the extensive use of machinery in a drive way, the methods based on the transmission of traditional design, because of calculation methods and means of restricting conditions are difficult to find the optimal design. this paper on the basis of an in- depth analysis in the v-belt drive design in accordance with practical problems needs building a corresponding mathematical model, adopting the genetic method to solve, designing appropriate algorithms and developing the corresponding software to achieve the optimal design of the transmission. what the paper majors in are as following: through analysis of the optimization build a mathematical model, viewing the smallest sizes of the two pulleys as the optimization goal, the standard diameter of the small pulley and the standard length of v-belt for the design variables, and the small pulleys diameter, the corners, the center distance, the speed of the v-belt transmission and the number of v-belt for the constraints. the small pulleys diameter restraint and the speed restraint in these constraints can be automatically met, and for the remaining constraints static penalty function is adopted, then the optimization problem with constraints will be converted to a non-constrained optimization problem. in addition, the paper on the genetic algorithm using integral coding and adopting the roulette gambling selection mechanism, the arithmetic crossover method and non- uniform mutation method. since the goal is to optimize the pulley and get the minimum size, while through roulette gambling selection, the individual grown out of is of the greatest fitness, it needs mapping the objective function onto a fitness function. to connect with a standard value for length of v-belt one-to-one, and then by the end, constitute a chromosome of a length of 2 by integral coding. finally, program for optimal design is made through vb. key words: ordinary v-belt drive; optimal design; genetic algorithms; integral coding; vb 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 iii 目錄目錄 摘要摘要.i abstract ii 目錄目錄iii 第第 1 章章 緒論緒論 1 1.1 課題研究的意義及現狀.1 1.2 論文主要研究內容.2 第第 2 章章 遺傳算法基本原理遺傳算法基本原理 3 2.1 遺傳算法簡述.3 第第 3 章章 v v 帶傳動遺傳算法優(yōu)化設計帶傳動遺傳算法優(yōu)化設計 .5 3.1 優(yōu)化設計數學模型的建立.5 3.2 遺傳算法求解.7 3.3 優(yōu)化算例.9 結論結論 10 參考文獻參考文獻 11 致謝致謝 12 附件附件 1 .13 附件附件 2 .15 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 1 第第 1 章章 緒論緒論 1.1 課題研究的意義及現狀課題研究的意義及現狀 注意事項注意事項： 1、編輯時最好把工具工具菜單下的選項選項-視圖窗口視圖窗口-格式標記格式標記中的全部選中，以免誤 刪除分節(jié)符等信息影響排版。 2、正文中的英文及數字一律用 times new roman 字體，中文為宋體。 3、正文字體為小四，圖題、表題及圖表中的文字為五號字體。 4、公式用 word 自帶的公式編輯器輸入。 5、附件1為外文資料翻譯，頁碼隨正文順序往下排，附件2為外文資料，可以是 pdf原文打印，不用再編頁碼和頁眉，直接附上即可。 6、前四頁任務書及各評語不用編頁碼，且沒有頁眉。 7、用office2003版本。 8、正文只列到三級標題。 由于v帶傳動是利用具有撓性的傳動帶作為中間物，并通過摩擦力來傳動，且v帶 傳動能緩和載荷沖擊，運動平穩(wěn)無噪音，結構簡單，成本低，制造和安裝容易，能實 現過載保護，所以在工業(yè)中應用很廣泛。 對帶傳動的設計方法最基本的是常規(guī)設計方法，根據文獻1，該方法在計算過程 中，要查找多個數表和線圖，且有些變量的取值并不是唯一的，需要憑運氣試湊性選 擇，這樣對于同樣的原始數據，不同的設計人員就會有不同的設計結果;該設計方法在 處理離散性參數時，按照連續(xù)型變量求得計算結果后再進行簡單的收尾運算，不夠妥 當。 文獻2的帶傳動優(yōu)化設計中，編碼方式上采用實數編碼策略，利用實數進行編碼， 直接用十進制串表示問題變量，所有操作均在實數域內進行，表示問題的解的數字串 將會比用二進制表示的數字串短得多，相應的遺傳操作算子的計算量也會減少，所需 的計算時間也降低。由于在優(yōu)化過程中不需對參數進行編碼和譯碼，相應地就不存在 解的精度問題。但該方法仍然存有傳統(tǒng)設計方法的缺陷，在解決離散性問題時的精確 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 2 度不夠。 文獻3在確定設計變量時，選取小帶輪的基準直徑 d1、兩帶輪的中心距 a 和 v 帶 根數 z 三個參數為設計變量。帶輪體積與許多變量有關，而選擇出來作為設計變量的 變量之間必須具有相互獨立性。當選擇 d1 和 a 為設計變量后，由文獻4中的計算公式， 參數 z 可以由 d1 和 a 來確定，因此，當同時選擇這三個參數作為設計變量時，由于它 們之間不具有彼此獨立性，這種設置是不恰當的。另外，文獻3中使用二進制編碼， 還會存在編碼、解碼造成的解的誤差。 此外，文獻5matlab優(yōu)化工具箱進行優(yōu)化求解，比常規(guī)的優(yōu)化方法更加簡便快； 文獻6過分析傳統(tǒng)設計中圖表數據的特點，提出了普通v帶傳動設計中有關數據、表 格和線圖的程序化方法，所提出的方法簡單易行，適用性廣。 1.2 論文主要研究內容論文主要研究內容 本論文主要對 v 帶傳動設計中所需要參數及其相關性的分析，選定設計變量；結 合對它們的約束條件建立體積優(yōu)化的數學模型。根據模型的特點，對遺傳算法進行改 進。全文的主要內容包括以下幾個方面： 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 3 第第 2 章章 遺傳算法基本原理遺傳算法基本原理 2.1 遺傳算法簡述遺傳算法簡述 遺傳算法的術語來源于自然遺傳學。1975 年由美國 j.holland 教授提出的遺傳算法 （genetic algorithm，簡稱 ga）是基于自然選擇原理、自然遺傳機制和自適應搜索 （尋優(yōu)）的算法。j.holland 教授的adaptation in natural and artificial systems一書 的問世標志著遺傳算法的誕生8。ga 啟迪于生物學的新達爾文主義（達爾文的進化論、 魏茨曼的物種選擇學說和孟德爾的基因學說） ，模仿物竟天演、優(yōu)勝劣汰、適者生存的 生物遺傳和進化的規(guī)律性。1989 年美國伊利諾大學的 david e.goldberg 博士出版的專 著genetic algorithm in search，optimization and machine learning是遺傳算法發(fā)展 過程中的又一個里程碑，這本書全面地闡述了遺傳算法的發(fā)展歷程、現狀、各種算法 和應用實例，并附有 pascal 源程序，從而使得廣大工程技術人員得以進行實際的應用， 在全世界掀起了關于遺傳算法的研究和應用熱潮9。 * 2.1.1 遺傳算法的基本要點遺傳算法的基本要點 一、編碼 遺傳算法的特點之一是不對求解問題的決策變量直接進行操作，而是通過對個體 編碼進行交叉與變異的進化運算過程，不斷搜索出適應度較高的新個體，必須把它們 轉換成遺傳算法空間的由基因一定結構組成的染色體或個體，這一轉換最終尋求出問 題的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。遺傳算法不能直接處理問題的空間參數，此操作稱為編碼。 1、簡單適應函數 簡單適應函數是目標函數的簡單變形，若為目標函數，則適應函數可以取為： xf ，優(yōu)化目標為最大 (2-4) xfitness xf ，且優(yōu)化目標為最小 (2-5) xfxfitness m xfmaxm 2、適應函數的尺度變換 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 4 （1）線性變換法 若為目標函數，則適應函數可以取為： xf (2-6) xfxfitness 、系數的確定可參考文獻11。 （2）指數變換法 若為目標函數，則適應函數可以取為： xf （2-7） f exfitness * 選擇過程總可以寫成如下形式： 1、對每個染色體，計算累積概率ipopi i p ， （2-8） sizepop 1j i i i f f psizepop, 2 , 1 i #。其一般形式可以由下式表示： ， （2-12） xpxf xf xf 式中：為原適應函數值； xf 為考慮了罰函數之后的新適應函數值； xf 為罰函數。 xp 滿足約束條件時x 不滿足約束條件時x 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 5 第第 3 章章 v v 帶傳動遺傳算法優(yōu)化設計帶傳動遺傳算法優(yōu)化設計 3.1 優(yōu)化設計數學模型優(yōu)化設計數學模型的建立的建立 3.1.1 v 帶傳動設計題目要求帶傳動設計題目要求 3.1.2 建立帶傳動的數學模型建立帶傳動的數學模型 #系統(tǒng)的數學模型為： （3-1）bddvvvf 2 2 2 121 4 min 式中：、分別為大、小帶輪的體積； 2 v 1 v 、分別為小帶輪、大帶輪的基準直徑； 1 d 2 d 為帶輪寬度，；bfezb21 為 v 帶的根數；z 為槽間距，參見 gb/t 13575.1-9216中的規(guī)定，取 =15mm；ee 為第一槽對稱面至端面距離，參見 gb/t 13575.1-9216中的規(guī)定，取f =9mm。f 需要考慮的約束條件有： 1、小帶輪直徑 直徑大傳動功率也大，但可能會受到傳動外廓尺寸要求的限制； 在帶傳動需要傳遞的功率給定的條件下，減小帶輪的直徑，會增大帶傳動的有效拉力， 從而導致 v 帶根數的增加。這樣不僅增大了帶輪的寬度，而且也增大了載荷在 v 帶之 間分配的不均勻性。另外，帶輪直徑的減少，增加了帶的彎曲應力。為了避免彎曲應 力過大，小帶輪的基準直徑就不能過小。因此，需滿足 （3-2） maxmin ddd 式中：、由帶型確定，而帶型是根據計算功率和小帶輪轉速查文獻17 min d max d ca p 1 n 獲得。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 6 下面確定計算功率： 計算功率是根據傳遞的功率和帶的工作條件而確定的 ca pp = （3-3） ca p a kp 式中：為計算功率，kw；p 為工作情況系數； a k 為所需要傳遞的額定功率，如電動機的額定功率或名義的負載功率，kw。p 本例由已知條件1.2，=7 kw，根據式（3-3） a kp = =1.2 7 kw=8.4 kw ca p a kp 結合=1440 r/min，查相關文獻17帶型為 a 型； 1 n # （3-4） 075 1 dxg （3-5） 0800 2 dxg # （3-18） 010 8 zxg 而上式中的計算方法為17：z （3-19） l a r ca kkpp pk p p z 00 式中：可從相關文獻17查得，為基本額定功率，是與小帶輪基準直徑一一對應 0 p 1 d 的參數； kw，由帶型 a 型，傳動比 =3.6，小帶輪轉速=1440 r/min，由文16 . 0 0 pi 1 n 獻17查得，為當傳動比不等于 1 時，單根 v 帶額定功率的增量； 為當包角不等于時的修正系數； k 180 為帶長不等于試驗規(guī)定的特定帶長時的修正系數，它是與基準長度一一對 l k d l 應的參數，由文獻17查得。 下面確定的值： k 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 7 包角系數與小帶輪上的包角有關，結合式（3-9） 、 （3-10） 、 （3-12）可求 k 1 得；而、的關系式用最小二乘法擬合得到 1 k 1 （3-20）23088 . 0 00625 . 0 00001 . 0 2 k 這樣，將各個參數求得后分別代入式（3-19）最終可以求得 v 帶根數的值。z 3.1.3 約束條件的處理約束條件的處理 3.2 遺傳算法求解遺傳算法求解 優(yōu)化問題的求解過程是從眾多的解中選出最優(yōu)的解，生物進化的適者生存規(guī)律使 得最具有生存能力的染色體以最大的可能性生存，這樣的共同點使得遺傳算法可以在 優(yōu)化問題中應用。 3.2.1 編碼方法編碼方法 因為優(yōu)化設計變量 3.2.6 變異操作變異操作 設變異操作時選擇某染色體的第 1 位基因 d 進行變異，則新的基因值dnewpop_ 為： （3-31） dpop dpop dnewpop _cint _cint _ 式中：random= int(rnd() + 0.5)，是一個產生隨機數 0 或 1 的整型變量，因為函數 產生的是不大于自變量的最大整數，當產生的隨機數范圍是時，r xintx rnd5 . 0 , 0 nd() + 0.51，所以取得的不大于 1 的最大整數是 0，即 random=0；當產 xint rnd 生的隨機數范圍是時，1rnd() + 0.52，由函數得到的不超越此范圍的最1 , 5 . 0 xint random= 0 random= 1 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 8 大整數為 1，即 random=1； ，=2.5，為一設定常數，其值隨著 numd 的增大而增加。temprnd temp 同理，當選擇染色體第 2 位基因進行變異時，得到的新的基因值為 d l d lnewpop_ ： （3-32） d d d lpop lpop lnewpop _intc _cint _ 式中：，=3，為設定的一常數，其值隨著 numld 的增大增加。temprnd temp 3.2.8 遺傳算法操作流程圖遺傳算法操作流程圖 遺傳算法的操作流程如圖 3-1 所示。 判斷是否滿足 優(yōu)化收斂準則 計算每個個體的適應度值 復制 交叉 變異 確定表示問題解的代碼：染色體 輸出最優(yōu)個體 停 產生初始種群 y n 圖 3-1 遺傳算法