考慮動態特性的高速壓力機底座可靠性穩健設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種考慮動態特性的高速壓力機底座可靠性穩健設計方法。 技術背景
[0002] 在高速壓力機工作過程中，其高頻沖裁力經過傳遞最終都是作用在其底座上，同 時，處于整機最下端的底座還承受著來自其它零部件的重力以及高速運動部件的慣性力作 用，會因激振頻率的作用而產生振動。研究表明，若高速壓力機底座的固有頻率接近工頻或 者倍頻，將導致底座出現共振。因此，合理設計底座結構，使其前幾階固有頻率避開工作載 荷頻率，能夠防止底座結構的疲勞破壞，提高壓力機的可靠性和模具壽命。另一方面，由于 熱處理和機械加工的誤差，高速壓力機實際設計制造中底座的材料屬性存在一定的不確定 性，這些不確定性會導致其動態特性產生一定的波動。因此，高速壓力機底座動態特性設計 中必須充分考慮這些客觀存在的不確定性，才能獲得符合可靠性與穩健性要求的底座設計 方案。
[0003] 可靠性穩健優化設計在優化過程中不僅要考慮目標函數的穩健性，同時還需保證 約束函數滿足可靠度指標。在可靠性穩健設計中，目標函數的穩健性需求導致了優化過程 為多目標求解，而可靠性約束的存在則要求在求解過程中進行約束性能函數的可靠度分 析，從而較大程度上增加了優化求解的復雜度，提高了優化求解的計算成本，這已成為制約 其廣泛應用于大型工程優化設計問題的直接因素。而針對其優化策略的研究，宗旨在于如 何在保證可靠性分析精度的前提下提高整體優化求解效率，從而有效降低計算成本。臧獻 國等于2011年在《中國機械工程》中發表的"汽車前軸動態特性的可靠性優化設計"以降 低汽車前軸質量為目標，在基本隨機變量概率分布已知的情況下，將可靠性分析與優化技 術相結合，提出一種改善汽車前軸動態特性的可靠性優化設計方法，但臧獻國等在對機構 進行動態特性設計優化時，并未考慮其設計目標的穩健性，故其優化結果達不到實際的穩 健性需求。此外，實際工程中，不確定性因素的概率分布通常是未知的。為此，本發明提出 了一種考慮動態特性的高速壓力機底座可靠性穩健設計方法，利用基于區間優勢度和序位 向量排序的雙層嵌套多目標遺傳算法進行優化模型求解，獲得了同時具有可靠性和穩健性 的最優解。
【發明內容】
[0004] 為解決工程實際中高速壓力機底座動態特性的可靠性穩健性設計問題，本發明提 供了一種考慮動態特性的高速壓力機底座可靠性穩健設計方法，采用區間變量描述影響底 座動態特性的不確定性因素，建立基于區間變量的壓力機底座動態特性可靠性穩健設計模 型，并采用高效率高精度的RBF神經網絡代理模型與雙層嵌套的多目標遺傳算法進行迭代 尋優。該方法能在保證可靠性與穩健性要求的前提下得到符合底座動態特性設計要求的最 優解。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現的：一種考慮動態特性的高速壓力機底座可靠性 穩健設計方法，包括以下步驟：
[0006] (1)建立高速壓力機底座動態特性的可靠性穩健設計模型：選擇對高速壓力機底 座動態特性影響最大的尺寸作為設計變量，以底座材料的楊氏模量和泊松比為不確定性參 數，根據壓力機底座剛度需求確定設計目標，根據穩健性要求將其設計目標區間值的中點 和半徑作為目標函數，并將動態特性的可靠性指標作為約束函數，建立高速壓力機底座動 態特性的可靠性穩健設計模型：
【主權項】
1. 一種考慮動態特性的高速壓力機底座可靠性穩健設計方法，其特征在于，包括以下 步驟： (1) 建立高速壓力機底座動態特性的可靠性穩健設計模型：選擇對高速壓力機底座動 態特性影響最大的尺寸作為設計變量，以底座材料的楊氏模量和泊松比為不確定性參數， 根據壓力機底座剛度需求確定設計目標，根據穩健性要求將其設計目標區間值的中點和半 徑作為目標函數，并將動態特性的可靠性指標作為約束函數，建立高速壓力機底座動態特 性的可靠性穩健設計模型：
U = (E, v) 其中，X為η維設計向量，U為區間不確定參數向量，f(x，U)為目標性能響應值，fe(x)， fw(x)，fK(x)，fix)分別為目標性能區間響應值的中點、半徑、上界、下界；gi(x，U)為第i 個需考慮可靠性的性能函數，Bi為其對應的允許變化范圍，<分別為&的下界與上界； >孕=[〇;]]為第i個性能函數的實際可靠性，Rsi為其給定的可靠性約束值； (2) 采用拉丁超立方采樣法（LHS)對設計變量和不確定參數進行采樣，并通過協同仿 真技術獲取樣本點的響應值：在設計向量和不確定參數向量構成的輸入空間內采用以最大 最小距離為優化準則的LHS獲取樣本點，從而獲得具有空間均布性和投影均勻性的試驗設 計方案；在三維建模軟件中，以設計向量X為獨立控制參數，建立高速壓力機底座參數化三 維模型，通過數據實時共享的接口技術實現三維建模軟件和有限元分析軟件之間參數的雙 向傳遞，并在有限元分析軟件中設置不確定參數U為二次控制參數；通過協同仿真，調用動 態更新的高速壓力機底座的三維模型進行有限元分析計算，獲得各樣本點所對應的目標函 數與約束函數中性能指標的響應值； (3) 根據包含完整輸入-輸出信息的樣本點數據建立RBF神經網絡作為響應面模型，其 輸入參數為設計變量和不確定性參數，輸出參數為目標函數和約束函數中性能指標的響應 值； (4) 建立基于均布區間相對優勢度的可靠性計算準則：根據區間數學理論，區間A = [a\ aK]相對于區間B = [b\ bK]的優勢度P(A>B)的計算方法： (a)當 a > b 時，P (A>B) = 1 ;
(f)當 aL彡 a \ b b κ時，P (A>B) = O ; 利用上述區間優勢度計算方法計算高速壓力機底座各約束性能的區間可靠性指標，得 到各約束的可靠性指標值Rgi [gi (X，U)彡Bi]; (5)采用雙層嵌套的遺傳算法求解壓力機底座動態特性的可靠性穩健設計模型：在雙 層嵌套的遺傳算法優化過程中，利用內層單目標遺傳算法和步驟3中建立的RBF神經網絡 模型計算出其所對應的目標和約束函數中底座力學性能指標區間的上下界f K(x)，產(X)， gfb)，g⑷并求出目標力學性能指標區間的中點及半徑fe(x)，fw( x);利用步驟4中均布 區間相對優勢度的可靠性計算準則得到Rgi [gi (X，U) > Bi];其中，上標R、L、C、W分別表示 區間上界、區間下界、區間中點和區間半徑； 在外層遺傳優化中，對當前代種群的所有個體，根據可靠性約束值Rgi [gi (X，U) > Bi]， 計算其對應各約束的違反度： 對于約束RJgi (x，U)彡Bi]彡Rsi而言，若Rgi [gi(x，U)彡Bi]彡Rsi，則其約束違反度 Vi(X) =0;若 Rgi[gi(x，U)彡 BiKRsi，貝IJ其約束違反度SVi(X) =Rsi-Rgi[gi(x，U)彡 Bi];在 此基礎上，可得設計向量X所對應個體的約束違反度
為約束個 I=I 數；則Vt (X) = 0的解X為可行解，否則X為不可行解； 利用基于區間序位向量的優劣判斷準則對外層遺傳優化當前代種群中的所有個體進 行優劣排序，確定其序位，從而計算其適應度，區間序位向量的優劣判斷準則確定設計向量 乂1與X2優劣關系的方式為： (a) 若X1為可行解，X 2為不可行解，則始終有X i優于X 2; (b) 若Xl%x2均為不可行解，則根據約束違反度來判斷其優劣，若Vt(X 1) SVt(X2)，則 X1優于X 2; (C)若&與12均為可行解，首先分別根據目標函數fe(x)和fw(x)的響應值對樣本個體 進行排序，獲得各可行解針對目標函數產00和fw(x)排序所得優劣等級re(j)和/(」)，（j =1，......，Pop) ;re(j)為第j個樣本對應fe(x)的排序結果序號，rw(j)為第j個樣本對 應fw(x)的排序結果序號，Pop為外層遺傳算法種群中的個體數目；然后，將各可行解關于 兩目標函數排序所得的優劣等級組成向量R(j) = (re(j)，rw(j))，以向量R(j)的模表征各 可行解的優劣程度：
最后，根據|R(j) I對所有可行解進行優劣排 序； 若外層優化的進化代數達到給定最大值，則終止外層遺傳算法進化過程，輸出具有最 大適應度值的個體作為最優個體，將其所對應的設計向量作為最優設計向量，得到符合可 靠性與穩健性要求的高速壓力機底座動態特性最優設計方案，否則，生成新一代種群個體， 進化代數加1，繼續外層遺傳進化過程。
2.根據權利要求1所述的一種考慮動態特性的高速壓力機底座可靠性穩健設計方法， 其特征在于：所述步驟1中，采用區間變量描述影響壓力機底座動態特性的不確定因素，并 將可靠性和穩健性指標引入到高速壓力機底座動態特性優化設計模型中，能夠獲得使其底 座動態特性具有高可靠性和高穩健性的設計方案。
【專利摘要】本發明公開了一種考慮動態特性的高速壓力機底座可靠性穩健設計方法，該方法包括以下步驟：建立高速壓力機底座動態特性的可靠性穩健設計模型；采用拉丁超立方采樣法對設計變量和不確定參數進行采樣，并通過協同仿真技術獲取樣本點的響應值；依據樣本點的輸入-輸出信息建立預測目標和約束函數中底座力學性能指標值的RBF神經網絡模型；利用基于區間約束違反度和均布區間優勢度以及區間序位向量的雙層嵌套遺傳算法進行迭代尋優，求得底座設計方案的最優解。本發明根據高速壓力機底座實際設計需求，基于RBF神經網絡模型對其進行動態特性可靠性穩健設計，可便捷地獲得符合可靠性要求并具有穩健性的高速壓力機底座的設計方案。
【IPC分類】G06N3-12, G06F17-50
【公開號】CN104679956
【申請號】CN201510082491
【發明人】程錦, 吳震宇, 劉振宇, 譚建榮
【申請人】浙江大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月14日