鍛壓機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化路徑

張?zhí)粕?/p>

（中鐵十八局機(jī)械廠，天津301906）

鍛壓機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化路徑

張?zhí)粕?/p>

（中鐵十八局機(jī)械廠，天津301906）

利用遺傳算法對鍛壓機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在該方法基礎(chǔ)上開發(fā)一種多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)平臺(tái)，運(yùn)用Pro/E的建模和分析能力，既能夠保障模型的精確性，又能夠保障分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)和目標(biāo)的優(yōu)化，進(jìn)而提高鍛壓機(jī)床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。

鍛壓機(jī)床；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；遺傳算法；多目標(biāo)優(yōu)化

0 前言

鍛壓機(jī)床作為汽車制造和交通運(yùn)輸行業(yè)等重要領(lǐng)域的基礎(chǔ)裝備，對其系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠提高運(yùn)行的效率，優(yōu)化性能，進(jìn)而為企業(yè)的維修節(jié)省費(fèi)用。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要內(nèi)容包括尺寸、拓?fù)浜托螤畹鹊膬?yōu)化，其目的都是在于確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，提高鍛壓機(jī)床的運(yùn)行效率。機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要包括對其整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及對其尺寸和零部件的優(yōu)化，進(jìn)而提高鍛壓機(jī)床整體的運(yùn)行效率。這些優(yōu)化都是對鍛壓機(jī)床結(jié)構(gòu)域的靜態(tài)優(yōu)化和改善，能夠提高鍛壓機(jī)床在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的穩(wěn)定性能，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省材料的作用[1]。本研究主要是運(yùn)用遺傳算法，結(jié)合上述的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以優(yōu)化全局的思路對鍛壓機(jī)床的關(guān)鍵部件以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)定鍛壓機(jī)床在開關(guān)狀態(tài)下的目標(biāo)函數(shù)，以達(dá)到穩(wěn)定的性能，同時(shí)運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而獲取鍛壓機(jī)床最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少鍛壓機(jī)床的機(jī)身質(zhì)量，提升機(jī)床的性能和運(yùn)行效率。

1 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化流程

近年來隨著CAD/CAE技術(shù)的快速發(fā)展，鍛壓機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)在CAD/CAE軟件中應(yīng)用的范圍逐漸的廣泛，能夠?qū)C(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。有限元靜態(tài)分析主要針對鍛壓機(jī)床的機(jī)身部件的硬度以及強(qiáng)度進(jìn)行分析，達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，進(jìn)而降低成本，達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)效益。Pro/ E，UG等實(shí)體模型軟件能夠?qū)C(jī)床的實(shí)體模型建立起來并通過CAE進(jìn)行分析，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)的方向，但也有自身缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化[2]。MATLAB等數(shù)字分析軟件能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)參與情況下模型之間的協(xié)同優(yōu)化，但缺少對模型實(shí)體的分析，優(yōu)化的結(jié)果不精確。利用Pro/E軟件的二次開發(fā)功能，結(jié)合數(shù)字分析軟件MATLAB的擴(kuò)展功能，集成一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，對鍛壓機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對鍛壓機(jī)床的實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合遺傳算法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化。

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖1，實(shí)體模型庫、調(diào)度管理系統(tǒng)、分析計(jì)算系統(tǒng)以及參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)4個(gè)主系統(tǒng)構(gòu)成了該平臺(tái)的主要系統(tǒng)，每一個(gè)系統(tǒng)有著自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和性能。實(shí)體模型庫系統(tǒng)主要是運(yùn)用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)對零件的三維建模，實(shí)現(xiàn)裝配模型的功能，進(jìn)而建立SQL Server數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建出的鍛壓機(jī)床模型數(shù)據(jù)庫完善且精確。分析計(jì)算系統(tǒng)主要是是利用Pro/Mechanical平臺(tái)，優(yōu)化實(shí)體模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，加載計(jì)算零件和組織的參數(shù)，計(jì)算出各種應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果[3]。參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)是在MATLAB軟件平臺(tái)下對各種參數(shù)進(jìn)行分析，利用調(diào)度管理系統(tǒng)獲得分析和計(jì)算的結(jié)果，在目標(biāo)函數(shù)的引導(dǎo)下對分析和計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行多次的處理，優(yōu)化參數(shù)。調(diào)度管理系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)管理其他3個(gè)系統(tǒng)的管理，也是該平臺(tái)的核心系統(tǒng)，能夠?qū)⒛Ｐ蛶燧斎氲椒治鲇?jì)算系統(tǒng)中，然后將分析計(jì)算系統(tǒng)中的結(jié)果輸入到參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)中，獲取優(yōu)化的結(jié)果能夠?qū)δＰ蛶斓膮?shù)進(jìn)行修改，分析計(jì)算后獲得最優(yōu)的參數(shù)。

圖1 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 平臺(tái)優(yōu)化流程（圖2）

多目標(biāo)優(yōu)化平臺(tái)的4個(gè)主系統(tǒng)分工合作，共同優(yōu)化鍛壓機(jī)床的各個(gè)參數(shù)。優(yōu)化平臺(tái)能夠根據(jù)分析計(jì)算的結(jié)果對模型庫參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)鍛壓機(jī)床的工作特性以及預(yù)先確定的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)出鍛壓機(jī)床各個(gè)構(gòu)建的最優(yōu)參數(shù)，通過調(diào)度管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對模型庫參數(shù)的改進(jìn)載入到分析計(jì)算系統(tǒng)中得到結(jié)果，獲得最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，針對結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)的處理和篩選，再次進(jìn)行迭代計(jì)算，獲取最優(yōu)的參數(shù)。

圖2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)優(yōu)化流程

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模型庫系統(tǒng)和分析計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模型庫系統(tǒng)的主要功能是對鍛壓機(jī)床的零件以及組間模型進(jìn)行存儲(chǔ)，生成文件系統(tǒng)，為外部的調(diào)度管理系統(tǒng)提供零件和部件修改的參數(shù)，并且能夠快速的將組間的模型參數(shù)結(jié)果計(jì)算出來。鍛壓機(jī)床模型作為一種三維實(shí)體模型，是在Pro/E條件下建立的，能夠分類存儲(chǔ)鍛壓機(jī)床各個(gè)零件的參數(shù)，模型庫中包含了鍛壓機(jī)床模型的名稱、結(jié)構(gòu)信息以及位置等，能夠通過調(diào)度管理系統(tǒng)查看相關(guān)的模型[4]。

分析系統(tǒng)的是利用Pro/E軟件中的Pro/Mechanical平臺(tái)建立的，主要功能是對三維實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析。分析系統(tǒng)能夠根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)中的模型庫，給鍛壓機(jī)床設(shè)計(jì)預(yù)先的載荷、約束等，將零件的應(yīng)變力和局部變形結(jié)果計(jì)算出來，并且將計(jì)算的結(jié)構(gòu)傳送到調(diào)度系統(tǒng)中[5]。

2.2 調(diào)度管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

調(diào)度管理系統(tǒng)主要的功能是幫助其他的幾個(gè)子系統(tǒng)訪問模型庫，修改模型庫的參數(shù)，管理機(jī)床的分析數(shù)據(jù)，得到計(jì)算的結(jié)果，并將計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行傳輸，獲得最佳的優(yōu)化方案。調(diào)度管理系統(tǒng)主要是運(yùn)用了Pro/E軟件的二次開發(fā)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的調(diào)度和管理，以編程的方式實(shí)現(xiàn)特定的功能[6]。在調(diào)度管理系統(tǒng)的優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)中利用C++的MFC類庫，利用二次開發(fā)的功能對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。調(diào)度管理系統(tǒng)能夠?qū)⒛Ｐ偷腎D存儲(chǔ)在模型庫中的實(shí)體模型中，然后按照模型的參數(shù)和尺寸進(jìn)行重新的配置，檢查裝置是否符合約束的條件。如果條件滿足，就按照最優(yōu)的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)，建立優(yōu)化后的模型，利用軟件的分析功能實(shí)現(xiàn)模型的驅(qū)動(dòng)。調(diào)度管理系統(tǒng)的優(yōu)化流程見圖3。調(diào)度管理系統(tǒng)能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)主要是在軟件平臺(tái)上開發(fā)一個(gè)動(dòng)態(tài)的鏈接庫。參數(shù)的優(yōu)化能夠通過參數(shù)種群進(jìn)行分析和篩選，獲得的計(jì)算結(jié)構(gòu)反饋給參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)而設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，在遺傳算法的基礎(chǔ)下進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化，最終得到優(yōu)化的參數(shù)。

圖3 調(diào)度管理流程

3 基于遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化算法

3.1 變量設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)變量的設(shè)計(jì)根據(jù)不同型號(hào)的鍛壓機(jī)床優(yōu)化的目標(biāo)不同，經(jīng)過分析和判斷，將鍛壓機(jī)床的上下橫梁的縱橫向板厚以及板間距作為變量。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

鍛壓機(jī)床設(shè)計(jì)的主要目的在于提高鍛壓機(jī)床的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性能，并且將鍛壓機(jī)床的材料質(zhì)量縮小到最低，在應(yīng)力范圍內(nèi)設(shè)計(jì)鍛壓機(jī)床的材料，進(jìn)而降低鍛壓機(jī)床的成本，達(dá)到穩(wěn)定的性能。因此本文的目標(biāo)函數(shù)主要作用在鍛壓機(jī)床的上下橫梁的縱橫彎曲度以及最大應(yīng)力和機(jī)身的質(zhì)量上。本系統(tǒng)鍛壓機(jī)床的精確度和穩(wěn)定性主要依靠機(jī)床上橫梁的縱橫向彎曲度來確定，彎曲度越大，說明鍛壓機(jī)床的精確度越高，抗振性能越高。說明該參數(shù)下鍛壓機(jī)床較為穩(wěn)定。在設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)時(shí)也將這兩個(gè)變量作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。為了提高鍛壓機(jī)床的運(yùn)行效率和生產(chǎn)成本，在保障其精確度的條件下，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)將鍛壓機(jī)床的機(jī)身作為一個(gè)考慮的因素。另外應(yīng)力集中也是優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，鍛壓機(jī)床集中應(yīng)力越大，其磨損度就越嚴(yán)重。因此通過以上的分析可以得到以下的目標(biāo)函數(shù)。

式中ωi——目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，可根據(jù)鍛壓機(jī)床的型號(hào)和優(yōu)化的目標(biāo)調(diào)整加權(quán)系數(shù)值

JTi——子目標(biāo)函數(shù)

3.3 遺傳算法

本系統(tǒng)的編碼采用自定義函數(shù)，變量的數(shù)目為4個(gè)，變量離散值個(gè)數(shù)為mi個(gè)，設(shè)計(jì)變量為x。設(shè)置遺傳算子，采用MATLAB進(jìn)行，并將其作為比例函數(shù)的Rank，參數(shù)的選擇采用隨機(jī)分布的方式，參數(shù)的再生利用遺傳算法的缺省進(jìn)行，約束的處理采用懲罰函數(shù)法，每一個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度上添加一個(gè)懲罰因子，這樣能夠滿足個(gè)體的適應(yīng)度，也就是：

式中F（x）——適應(yīng)度函數(shù)

P（x）——懲罰函數(shù)

4 實(shí)例計(jì)算

本文以某型號(hào)的鍛壓機(jī)床為例對其系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。表1和表2為優(yōu)化前后鍛壓機(jī)床各參數(shù)的變化情況和技術(shù)指標(biāo)對比。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)的變化

表2 優(yōu)化前后技術(shù)指標(biāo)的變化

鍛壓機(jī)床經(jīng)過多目標(biāo)優(yōu)化后，縱向變形差縮小到0.28 mm，橫向變形差縮小到0.38 mm，最大應(yīng)力減小到196 MPa，機(jī)身的總重量減小到255 880 kg，達(dá)到了多個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化，同時(shí)能夠減輕機(jī)身的質(zhì)量，使得機(jī)床的結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定，性能提高，應(yīng)力分配在數(shù)值范圍內(nèi)，提高了鍛壓機(jī)床的運(yùn)行效率。說明多目優(yōu)化的遺傳算法能夠?qū)㈠憠簷C(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)到最佳的性能。

5 結(jié)語

通過對鍛壓機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一個(gè)保障鍛壓機(jī)床設(shè)計(jì)性能的良好平臺(tái)，在該平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)度管理系統(tǒng)、分析計(jì)算系統(tǒng)和參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對鍛壓機(jī)床機(jī)身結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的協(xié)同管理和優(yōu)化計(jì)算，利用有限元分析和多目標(biāo)的遺傳算法，優(yōu)化鍛壓機(jī)床縱橫向的變形差、最大應(yīng)力以及機(jī)身的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的目標(biāo)。

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〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.26