响应面法在机械结构优化问题上的应用研究

论文摘要

响应面法是数学及统计方法的结合,在优化设计领域内有着重要的作用。响应面法进行优化设计能够有效减少进行实验的次数,并可以高效率地解决优化问题,近几年在机械结构优化领域有着很多尝试性地探索及应用。本文基于响应面法对解决工程实例中遇见的两类典型优化情况进行探索求解。工程中会存在以下两类典型的优化问题。第一类是,对目标优化的过程中存在较多变量,并且存在部分变量对优化目标影响力较小。此类情况会增加优化设计中进行实验的次数,增大工作量。第二类是,在进行多目标优化时,优化目标间存在交互作用。此类情况会对优化目标精度产生较大影响。本文针对以上两类典型的优化问题,基于响应面法中的中心复合设计及Box-Behnken设计分别对卷簧扭振减振器及起重臂两个存在典型优化问题的实例进行探索求解。在柴油机中,发动机扭矩波动会不可避免地产生曲轴系扭转振动,通常会使用卷簧减振器对此类波动进行减振,其中减振器的力学性质和工作可靠性是判断减振器优良的重要标准。本文对减振器受力效果进行力学建模,并将力学计算进行程序的编写,相较于有限元实验需要重复的进行网格划分,文章将编写的计算程序可以更高效的进行实验并获取结果。文中对减振器中的9个变量划分成4组3因子设计并进行方差分析得到P值,并筛选出3个实验变量作为优化因子,基于响应面法,以卷簧片中的三个因子对卷簧扭振减振器的减振效果进行实验设计,对卷簧扭振减振器承受应力前期线性阶段的减振效果进行优化。即在刚度满足设计要求的条件下,使簧片强度达到期望目标。体现响应面法中的中心复合设计在结构优化中的高效性。因Box-Behnken法能够精确有效地反应出优化变量对目标响应的影响,本文以起重臂结构轻量化及杆件所承受的最大应力作为目标函数。在CAD中绘制起重臂模型,并在ANSYS中进行受力分析,为提高实验效率,进行有限元仿真主要采用命令流的形式。建立直角坐标系,提取起重臂左侧一半结构上6个点的纵坐标作为实验因子,针对6个因子变量,构建了基于Box-Behnken法设计的响应面模型,并对结构轻量化及杆件所承受的最大应力进行双目标优化。在充分考虑其耦合关系的条件下,得出最佳优化结果。表明存在多目标交互作用时,基于Box-Behnken法进行优化是可行的。文中基于响应面法对存在两类典型优化情况的机械结构进行优化分析,充分表明了响应面法作为一类数学方法具有很高的灵活性,可以很好的对机械领域内的典型优化设计进行分析。在计算机技术飞速发展的今天,响应面法已经越来越多的融入到了机械领域的方方面面,无论是通过计算程序的编写,还是有限元软件的仿真,都给响应面中的优化实验带来很多便捷,也使得响应面法能够更多出现在机械领域之中。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蔡正祥

导师: 田中旭

关键词: 响应面法,实验设计,力学模型,曲梁,多目标优化

来源: 上海海洋大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,机械工业

单位: 上海海洋大学

分类号: O212;TH113

DOI: 10.27314/d.cnki.gsscu.2019.000395

总页数: 61

文件大小: 1888K

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