基于網(wǎng)絡(luò)的裝載機(jī)協(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立及軟件實(shí)現(xiàn)

王虎奇 肖 璇 張 琦

（廣西工學(xué)院機(jī)械工程系，廣西 柳州 545006）

引言

基于網(wǎng)絡(luò)的裝載機(jī)全局協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)是對裝載機(jī)各部分結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、控制、材料、工藝、人機(jī)工程等多角度的全局考慮，各個學(xué)科領(lǐng)域形成分規(guī)劃，通過耦合變量與主規(guī)劃進(jìn)行聯(lián)系，最后采用全局協(xié)調(diào)優(yōu)化思想與方法，借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)條件或者設(shè)計(jì)資源的情況下，找到最優(yōu)解或者滿意解。目前，國內(nèi)外多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化方法主要存在下面幾種：一種是美國人Sobieski和Haftka提出的非層次型一致性優(yōu)化求解方法，后來又發(fā)展了并行子空間優(yōu)化策略和協(xié)同優(yōu)化的策略；另一種是廣西大學(xué)陳樹勛教授創(chuàng)立的全局協(xié)同優(yōu)化特征的協(xié)同優(yōu)化。兩種協(xié)同優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型都是由一個總規(guī)劃和若干分規(guī)劃組成。

1.裝載機(jī)結(jié)構(gòu)簡介

裝載機(jī)是工程機(jī)械的主要機(jī)種之一，廣泛用于建筑、礦山、水電、橋梁、鐵路、港口、碼頭等國民經(jīng)濟(jì)各部門。它主要由發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、變矩器系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)、變速操縱系統(tǒng)、驅(qū)動橋系統(tǒng)、工作液壓系統(tǒng)、工作裝置系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、腳制動系統(tǒng)、手制動系統(tǒng)、車架系統(tǒng)、駕駛室臺架系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。由此可見，裝載機(jī)是一個工程大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，必須采用全局協(xié)同優(yōu)化方法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 裝載機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.數(shù)學(xué)模型

由于裝載機(jī)由眾多系統(tǒng)組成，在此僅以其工作裝置，前車架和后車架這三部分來建立通用的數(shù)學(xué)模型。裝載機(jī)的總重量將作為系統(tǒng)的主規(guī)劃，而工作裝置，前車架和后車架的重量將作為其三個分規(guī)劃。三部分的有限元模型如下：

圖2 工作裝置有限元模型

圖3 前車架有限元模型

圖4 后車架有限元模型

根據(jù)全局協(xié)同優(yōu)化的特征,若以裝載機(jī)的總重量為目標(biāo)，則其整體結(jié)構(gòu)為主規(guī)劃MP，工作裝置為第一分規(guī)劃SP，前車架為第二分規(guī)劃SP，后車架為第三分規(guī)劃SP。則可建立以下數(shù)學(xué)模型：

圖5 全局協(xié)同優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

在上述數(shù)學(xué)模型中，W為裝載機(jī)的總重量，W，W，W分別為工作裝置，前車架和后車架的重量。X，X，X分別為三個分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)向量，而D和D，D，D又分別為主規(guī)劃和分規(guī)劃的結(jié)構(gòu)性態(tài)設(shè)計(jì)水平。

以上數(shù)學(xué)模型中只選擇了三個子模塊，在實(shí)際的全局協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)中，我們還可以添加其他的子模塊，比如驅(qū)動橋系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，工作液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等，這些都可以成為模型中的分規(guī)劃。

3.軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)學(xué)模型的建立使得全局協(xié)同優(yōu)化的過程更加清晰，為了能更方便的進(jìn)行計(jì)算，還需編制專門的軟件，在此將采用VB語言對數(shù)學(xué)模型中的相關(guān)步驟進(jìn)行編程。

本模型的主規(guī)劃將采用導(dǎo)重法進(jìn)行求解，因?yàn)樵O(shè)計(jì)變量較多，計(jì)算量較大，所以編制了專門的程序，只需輸入設(shè)計(jì)變量的值，即可很快得到迭代結(jié)果。而分規(guī)劃可采用任何的優(yōu)化方法方便地進(jìn)行求解，因而不需要另外編寫程序。

導(dǎo)重法的迭代算式如下：

（其中 n=1，2，…，N）.

只需知道其設(shè)計(jì)變量，導(dǎo)重和容重，即可進(jìn)行迭代計(jì)算。由此，VB程序框圖與界面可編制如圖6、圖7。

4.網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化

目前，網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)已經(jīng)成為解決全局協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的有效手段。它可以使各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行以縮短研發(fā)周期，又能使各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)進(jìn)行以提高產(chǎn)品性能。因此，網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種先進(jìn)設(shè)計(jì)的趨勢。

圖6 導(dǎo)重法的程序框圖

圖7 求解迭代結(jié)果的VB界面

在裝載機(jī)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)將成為一個重要的媒介。在不同的地方，不同的設(shè)計(jì)者將在網(wǎng)絡(luò)平臺上通過數(shù)據(jù)庫之間的共享和傳遞，在系統(tǒng)總體調(diào)控下進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到最優(yōu)解或者滿意解，使得裝載機(jī)整體性能最優(yōu)。而他們之間的數(shù)據(jù)傳遞也可以采用簡單且常見的方式進(jìn)行，如郵件，MSN等通訊工具。

結(jié)論

工程大系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化理論與方法研究是目前優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展的前沿，本文結(jié)合此理論，建立了裝載機(jī)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并編制了相應(yīng)的軟件。這將為其他工程機(jī)械系列產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有一定的指導(dǎo)作用。

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