溢流閥調(diào)節(jié)彈簧遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、溢流閥調(diào)節(jié)彈簧遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)將拉氏變換，可得系統(tǒng)的頻率特性為：溢流閥是利用溢流作用 來調(diào)節(jié)油路壓力的。當(dāng)油路壓力升高到某一規(guī)定值，溢流閥便打開， 將壓力油溢去一部分，使壓力保持在規(guī)定值。插裝式溢流閥通常由先 導(dǎo)閥和插裝件組成，是大流量液壓系統(tǒng)的重要元件之一。先導(dǎo)閥中調(diào) 壓彈簧的特性，直接關(guān)系到整個(gè)溢流閥乃至液壓系統(tǒng)的工作特性。但 彈簧的設(shè)計(jì)涉及較多參數(shù)，是一種多約束的優(yōu)化問題。而按彈簧的常 規(guī)的設(shè)計(jì)方法，需要進(jìn)行反復(fù)多次運(yùn)算，才能取得一個(gè)滿足要求的設(shè) 計(jì)方案。且采用普通的優(yōu)化方法比較麻煩。針對(duì)這一情況，本文提出 一種基于遺傳算法的多參數(shù)、多約束的優(yōu)化方法。該遺傳優(yōu)化算法是 在搜索空間中的搜索，并

2、不是以單個(gè)搜索點(diǎn)順序進(jìn)行的，而是使用若 干個(gè)搜索點(diǎn)（生物個(gè)體）并行進(jìn)行搜索的。一個(gè)搜索點(diǎn)作為一個(gè)帶有遺傳情報(bào)的假想生物個(gè)體，即簡(jiǎn)單作 為一個(gè)生物個(gè)體來對(duì)待。若干個(gè)生物個(gè)體即構(gòu)成了生物集團(tuán)。首先， 相對(duì)于各生物個(gè)體，計(jì)算出其生物個(gè)體對(duì)所處環(huán)境的適應(yīng)度。把x 作為個(gè)體，把f（x）作為x所處環(huán)境的適應(yīng)度來處理。然后，淘汰 適應(yīng)度低的個(gè)體，增殖適應(yīng)度高的個(gè)體。如此進(jìn)行世代交替仿真，實(shí) 現(xiàn)進(jìn)化（最優(yōu)化）計(jì)算。算法中相對(duì)于實(shí)際的增值，ga以基因型的 交叉以及突然變異操作來進(jìn)行。最后求出非常高的個(gè)體，即max （/（x）的，值。從而采用ga解決多約束的先導(dǎo)閥中調(diào)壓彈簧的優(yōu)化問題。1建立數(shù)學(xué)模型調(diào)壓彈簧承受變

3、載荷作用，故除選擇其材料、 規(guī)定熱處理?xiàng)l件外，主要確定三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，叩彈簧鋼絲直徑d彈簧 中徑d2和有效圈數(shù)。因此，取設(shè)計(jì)變量為：溢流閥的先導(dǎo)部分， 可等效為一個(gè)“質(zhì)量彈簧阻尼'，強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為： w液壓激振頻率（rafl/s）；叫一系統(tǒng)i古i有頻率（ra<d/s）oz阻尼比，顯然，提高w或降低w都會(huì)減小共振的影響。 但因wftl液壓源結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定，故w愈大愈好。對(duì)特定的溢流閥， ml是確定的，而彈簧的固有頻率為：由b阻尼系數(shù)（n為保證先 導(dǎo)閥有足夠的開啟壓力及可靠工作，應(yīng)/m） k調(diào)節(jié)彈簧剛度（n/m）； p作用力（n）；使導(dǎo)閥開啟時(shí)，彈簧力的改變量pl小于等于

4、其推 薦y導(dǎo)閥芯位。夕（m）。icad削jc彈簧中徑約束2遺傳算法的 實(shí)現(xiàn)技術(shù)（1）二值化將連續(xù)最優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)變量彈簧鋼絲直徑d、 彈簧中徑d2和有效圈數(shù)n用二進(jìn)制數(shù)表示成離散變溢流閥調(diào)壓彈簧 約束條件為不等式約束。對(duì)其采用以下解決辦法：理方法是把它放在 編碼中考慮。 其它約束作為遺傳操作可行域的約束條件，使個(gè)體不能超出 可行域的范圍。為了把最優(yōu)化問題變換適用于ga的離散化最優(yōu)組合問題，最 終需要變換成關(guān)于適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)化問題。優(yōu)化問題可表為：上述 問題應(yīng)用ga進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要將冃標(biāo)函數(shù)和約束條件轉(zhuǎn)換為無約 束最大化函數(shù)即適應(yīng)度函數(shù)，為此，本文采用外點(diǎn)懲函數(shù)法，并取懲 罰函數(shù)為：(、-(

5、x, r (k),并考慮適應(yīng)度函數(shù)值必須非負(fù) 和目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方向?qū)?yīng)適應(yīng)度函數(shù)值增大的方向，可以建立如下 根據(jù)適者生存原則，運(yùn)用選擇、交叉和變異等三個(gè)遺傳算子產(chǎn)生后代, 組成適應(yīng)度函數(shù)值更高的新一代群體。選擇。采用輪盤法與保留最優(yōu)個(gè)體法，將前面所產(chǎn)生的一個(gè) 最優(yōu)的個(gè)體保留到當(dāng)代。種群中個(gè)體的p為個(gè)體i的選擇概率。交叉。交叉概率p= 1.00每個(gè)變量都進(jìn)行交叉。并且只有在可 行域內(nèi)的交叉方有效。 變異。變異概率pm=l%,并且只有在可行域內(nèi)的變異才有 效。 探索求解。ga法是在離散化設(shè)計(jì)空間探索。因此，它具有 即使探索到解的附近，也很難得到比較精確的最優(yōu)解之缺點(diǎn)。這里使 用在經(jīng)過若干代探索求解

6、的最小解仍沒有變化的情況下，以最小解中 心縮小探索空間再進(jìn)行探索的方法，以提高探索精度。當(dāng)連續(xù)五代種 群的平均適應(yīng)度不超過某一閾值時(shí)，探索結(jié)束，以此獲得全局最優(yōu)解。3設(shè)計(jì)示例某小型壓機(jī)用插裝式溢流閥，彈簧作用力p= & 8mm, pf48.3n.對(duì)其進(jìn)行遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)。用matiab5.2編程求解，進(jìn)行5次遺傳優(yōu)化計(jì)溢流閥調(diào)節(jié)彈 簧遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表計(jì)算序號(hào)鋼絲直徑彈簧中徑有效圈數(shù)n目標(biāo) 函數(shù)/ (x)迭代收斂次數(shù)由表中結(jié)果表明，5次優(yōu)化結(jié)果相近。由遺 傳算法求得溢流閥調(diào)節(jié)彈簧全局最優(yōu)解為：d為2806mm, d2為 8.8mm, n 為 3.498, f (x)為 2.7234x 即(

7、x3672iad/s.應(yīng)用遺傳算法 求解。從優(yōu)化過程看，遺傳算法經(jīng)最初幾代進(jìn)化，即可得到最優(yōu)解， 算法的收斂速度快、效率好。此外，若采用常規(guī)優(yōu)化方法、設(shè)計(jì)變量 均作連續(xù)處理，優(yōu)化結(jié)束后，還需要對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行圓整和調(diào)整，采 用遺傳算法進(jìn)行離散變量?jī)?yōu)化，可以直接得到所需要的結(jié)果。遺傳算 法適應(yīng)于解決非線性約束優(yōu)化問題，它是解決調(diào)節(jié)彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)問題 的有效算法。4結(jié)論(1)應(yīng)用遺傳算法解決調(diào)壓彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)問題簡(jiǎn)單有效, 無論在求解速度和解的質(zhì)量方面都可以得到滿意的結(jié)果。(2)將本文的優(yōu)化方法應(yīng)用于溢流閥調(diào)節(jié)彈簧設(shè)a.總體方案評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的dfma丄具可以對(duì)產(chǎn)品制造的時(shí)間、質(zhì)量和成本進(jìn)行評(píng)價(jià)，而沒有考慮

8、到知識(shí)經(jīng)濟(jì)要求與環(huán)境影響。因此系統(tǒng)建立總體方案評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括知識(shí)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響、時(shí)間、質(zhì)量與成本。用戶可以根據(jù)它對(duì)總體方案進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，可作為解決設(shè)計(jì)沖突的依據(jù)，并有利于各合作成員在完成概念設(shè)計(jì)后對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案達(dá)成共識(shí)。b.協(xié)作論壇。發(fā)布協(xié)作成員的問題及建議，討c.最新進(jìn)展。發(fā) 布成員提交的最新設(shè)計(jì)成果，提供異地異步共享。d.電子郵件。電子郵件是典型的異步協(xié)同工具。系統(tǒng)集成了電子郵件功能，使得系統(tǒng)可以自動(dòng)地將特定的通知 發(fā)送到特定的人手中。比如用戶a希望每次自己設(shè)計(jì)的零件修改后 都用電子郵件通知用戶b,系統(tǒng)可以自動(dòng)完成這個(gè)工作。e批注功能。使用ole技術(shù)開發(fā)了一個(gè)審閱應(yīng)用軟件。通過連

9、 接/嵌入的方法將圖形文件作為顯示背景顯示在審閱系統(tǒng)中，然后通 過系統(tǒng)提供的圈閱工具進(jìn)行批注，系統(tǒng)自動(dòng)將評(píng)語(yǔ)內(nèi)容與圖形文件名 保存到同一對(duì)象中，使評(píng)語(yǔ)與對(duì)應(yīng)的零部件聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)批注功能。a網(wǎng)絡(luò)會(huì)議。為方便異地用戶之間的討論，提供召開網(wǎng)絡(luò)會(huì)議 的功能，包括電子白板功能；本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng) 絡(luò)會(huì)議功能。b.約束管理。沖突是并行設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常發(fā)生的一種現(xiàn)象。目 前常見的沖突檢測(cè)及消除的方法是約束網(wǎng)絡(luò)及約束傳播技術(shù)。不同種 類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)往往需要事先建立不同的、結(jié)構(gòu)龐大的約束網(wǎng)絡(luò)而虛擬 企業(yè)的設(shè)計(jì)任務(wù)是多變的。為了解決這個(gè)矛盾，本系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)智 能約束管理系統(tǒng)，系統(tǒng)能對(duì)新問題輔助生成約束網(wǎng)絡(luò)。此系統(tǒng)另文詳 述。保證設(shè)計(jì)成果的安全和協(xié)作成員的知識(shí)產(chǎn)權(quán)是系統(tǒng)應(yīng)用的前 提。系統(tǒng)的安全由多項(xiàng)措施保證。 系統(tǒng)權(quán)限賦予。適用于整個(gè)系統(tǒng)的權(quán)限叫系統(tǒng)權(quán)限。系統(tǒng)權(quán) 限有文件瀏覽、任務(wù)瀏覽、項(xiàng)目管理、人員管理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通 訊與系統(tǒng)監(jiān)控等。系統(tǒng)角色由系統(tǒng)管理員指派，包括系統(tǒng)管理員、盟 主企業(yè)、合作伙伴與普通用戶或特殊設(shè)定的角色。不同的系統(tǒng)角色擁 有不同的系