基于多目標(biāo)遺傳算法的雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張溢文, 尹韶平, 王志杰, 郭 君, 吳培明, 崔鑫山

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基于多目標(biāo)遺傳算法的雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張溢文1,2, 尹韶平1, 王志杰1, 郭 君1, 吳培明1, 崔鑫山1,2

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安, 710077)

為解決復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下雷載計(jì)算機(jī)的振動隔離問題, 提出了一種基于UG和ANSYS Workbench的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在UG中建立了隔振系統(tǒng)的參數(shù)化幾何模型, 并導(dǎo)入ANSYS Workbench建立有限元模型。計(jì)算了原始設(shè)計(jì)方案的模態(tài)參數(shù),通過與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對比,驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。隨后依據(jù)隔振設(shè)計(jì)理論確定了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),使用多目標(biāo)遺傳算法對隔振系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對比可知, 優(yōu)化方案較原始方案的最高階固有頻率降低了12.9%,頻率間隔降低了79.6%, 系統(tǒng)的有效隔振頻率增加了39.1 Hz,達(dá)到了良好的設(shè)計(jì)效果。

雷載計(jì)算機(jī);優(yōu)化設(shè)計(jì);多目標(biāo)遺傳算法;隔振;模態(tài)理論

0 引言

輕型魚雷作為主要反潛武器, 可在多種武器平臺使用, 如可通過水面艦艇發(fā)射, 反潛飛機(jī)空投, 亦可通過助飛火箭進(jìn)行遠(yuǎn)程投送[1]。雷載計(jì)算機(jī)作為輕型魚雷的“大腦”, 負(fù)責(zé)全雷的信息處理及指令收發(fā)工作, 在雷載設(shè)備中占有重要的地位。輕型魚雷多平臺使用的特點(diǎn)決定了其雷載計(jì)算機(jī)在全生命周期中會經(jīng)歷復(fù)雜多樣的力學(xué)環(huán)境。因此, 依據(jù)隔振設(shè)計(jì)理論對雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 增強(qiáng)雷載計(jì)算機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性具有重要的工程意義。

針對電子設(shè)備振動隔離問題, 周亞東等人[2]提出了一種慣導(dǎo)平臺隔振器的斜角布置方法, 并通過正則模態(tài)分析對比了改進(jìn)方案與傳統(tǒng)方案的模態(tài)特性。Kim Sang-Myeong等人[3]使用分散式速度反饋控制算法對多路主動隔振系統(tǒng)進(jìn)行控制, 并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其隔振效能。A. Vulcan等人[4]為確保戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)晶體振蕩器可以在高能量隨機(jī)振動和高過載工況下正常工作, 設(shè)計(jì)了一種懸浮式新型晶體振蕩器。可以看出, 前人在振動隔離問題上的研究主要集中于提出新的隔振方法, 對已有方案的改進(jìn)優(yōu)化研究相對較少。文中在不改變原始方案安裝尺寸的前提下, 對輕型魚雷雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。提出了一種基于3D設(shè)計(jì)工具和有限元分析工具的聯(lián)合優(yōu)化方法, 并使用多目標(biāo)遺傳算法對隔振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)

雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)如圖1所示, 4組8個橡膠隔振器以雷載計(jì)算機(jī)質(zhì)心為中心對稱分布, 將計(jì)算機(jī)懸浮支撐起來。由于文中針對雷載計(jì)算機(jī)整機(jī)進(jìn)行隔振設(shè)計(jì), 不考慮計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響, 故將雷載計(jì)算機(jī)用質(zhì)量、質(zhì)心位置、裝配方式完全相同的質(zhì)量體代替, 以達(dá)到簡化模型、減少計(jì)算量的目的。為便于施加邊界條件及說明計(jì)算結(jié)果, 定義直角坐標(biāo)系如圖1所示。

隔振系統(tǒng)的裝配方式如圖2所示, 橡膠隔振器為臺階圓柱結(jié)構(gòu), 臺階面與雷載計(jì)算機(jī)接觸, 內(nèi)圓柱面與大端面及套管接觸, 安裝螺釘穿過金屬套管將計(jì)算機(jī)與基座連接。

2 建立參數(shù)化計(jì)算模型

2.1 參數(shù)化幾何模型

3D設(shè)計(jì)工具UG具有強(qiáng)大的參數(shù)化幾何建模能力, 并可通過WAVE幾何尺寸鏈接器建立部件間的尺寸鏈接關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)裝配體的參數(shù)化建模[5]。隔振器是文中的優(yōu)化對象, 故在不改變安裝尺寸的前提下(圖3中的?7), 將隔振器的其余尺寸設(shè)為參數(shù)化尺寸。參數(shù)化尺寸的定義與取值范圍分別如圖3和表1所示。為了使優(yōu)化結(jié)果滿足工程設(shè)計(jì)需求, 將參數(shù)化尺寸定義為離散值, 在取值范圍內(nèi)以0.5 mm為步長改變。

表1 隔振器參數(shù)化尺寸取值范圍

通過WAVE幾何尺寸鏈接器, 建立其余部件相關(guān)尺寸與參數(shù)化尺寸的函數(shù)關(guān)系, 即可得到隔振系統(tǒng)的參數(shù)化幾何模型。圖4為模型隨參數(shù)變化的情況。

2.2 參數(shù)化模型有限元建模

ANSYS Workbench可實(shí)現(xiàn)與UG的無縫對接, 通過Design Modeler模塊讀取UG幾何文件并激活其中的參數(shù)化尺寸, 即可建立ANSYS與UG聯(lián)合仿真的數(shù)據(jù)鏈接[6]。隨后對導(dǎo)入的幾何文件進(jìn)行有限元建模, 主要有邊界條件設(shè)置、材料屬性賦值和網(wǎng)格劃分3個步驟。

邊界條件依據(jù)隔振系統(tǒng)的裝配關(guān)系定義(參見圖2), 金屬套管上、下端面設(shè)置為固定約束, 隔振器與其余部件的接觸關(guān)系設(shè)置為無摩擦接觸。

雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)的材料參數(shù)如表2所示, 需要說明的是, 在建模中雷載計(jì)算機(jī)等效模型按剛體處理, 故只需要輸入密度參數(shù)即可。

使用Solid186六面體單元劃分網(wǎng)格, 單元尺寸為1 mm, 劃分結(jié)果如圖5所示。由于雷載計(jì)算機(jī)等效模型為剛體, 僅在接觸面生成網(wǎng)格, 有效的減少了網(wǎng)格數(shù)量, 從而提高了優(yōu)化求解速度。

表2 材料參數(shù)

3 原始設(shè)計(jì)方案模態(tài)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與隔振效能評估均需要以獲取系統(tǒng)的固有頻率與振型等模態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)。本章將以原始設(shè)計(jì)方案為研究對象, 通過模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)對比的方式驗(yàn)證有限元模型, 確保隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評估時使用模型的正確性。同時, 分析結(jié)果也將用于與優(yōu)化方案的對比。

3.1 模態(tài)分析

原始設(shè)計(jì)方案的參數(shù)化尺寸取值如表3所示。輸入尺寸后刷新ANSYS項(xiàng)目, 即可更新有限元模型。模態(tài)分析使用ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊, 選用迭代求解方式, 計(jì)算當(dāng)前方案隔振系統(tǒng)的前3階模態(tài)。

表3 原始設(shè)計(jì)方案尺寸值

3.2 模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)試驗(yàn)采用錘擊法測量雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)在固支狀態(tài)下的模態(tài), 以帶螺紋孔的剛性基座為固支基礎(chǔ), 并使用一個轉(zhuǎn)接基座連接計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)與剛性基座, 如圖6所示。4個3向加速度傳感器粘貼在計(jì)算機(jī)等效模型的上表面用于測量加速度數(shù)據(jù), 使用LMS Test. Lab測試系統(tǒng)采集與處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對比

將模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)得出的隔振系統(tǒng)前3階模態(tài)參數(shù)進(jìn)行對比, 結(jié)果見表4。

表4 固有頻率對比

由圖7可知, 前3階模態(tài)振型分別為計(jì)算機(jī)沿、、方向的平動, 計(jì)算得出的振型與試驗(yàn)測出的振型存在一一對應(yīng)關(guān)系。由表4可知, 前3階模態(tài)的固有頻率誤差率較小, 最大誤差為6.21%。因此認(rèn)為, 雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)參數(shù)化計(jì)算模型建模方法正確, 可用于隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

4.1 隔振設(shè)計(jì)基本理論

單自由度隔振系統(tǒng)的動力學(xué)模型如圖8所示。

其中隔振體質(zhì)量為, 隔振體質(zhì)心位移為, 基座位移為, 隔振系統(tǒng)剛度為, 阻尼為。隔振系統(tǒng)動力學(xué)方程如下

(2)

(4)

對方程(1)進(jìn)行拉普拉斯變換得到系統(tǒng)的頻響函數(shù)

進(jìn)行極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換, 得到

(6)

稱為系統(tǒng)的幅頻特性, 將式(3)、式(4)代入式(5), 并由式(6)得到

(8)

將式(8)代入式(7)后便得到單自由度隔振系統(tǒng)的絕對傳遞率T()解析式

T()的函數(shù)曲線如圖9所示。

圖9 單自由度隔振系統(tǒng)絕對傳遞率曲線

Fig. 9 Absolute transmission rate curves of vibration isolation system with single DOF

4.2 隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)

由隔振理論可知, 系統(tǒng)的隔振能力隨著頻率比的升高而提高。因此在外界激勵頻譜不變的情況下, 降低隔振系統(tǒng)的固有頻率即可提高隔振能力。對于多自由度隔振系統(tǒng)而言, 有效隔振頻率大于最高階固有頻率的倍, 故應(yīng)以降低最高階固有頻率作為優(yōu)化目標(biāo)。同時, 若多自由度隔振系統(tǒng)滿足3向等剛度要求, 即隔振系統(tǒng)在,,3個方向的固有頻率相等或較為接近, 隔振系統(tǒng)在3個方向的振動傳遞率曲線趨于重疊, 共振峰收窄, 亦可利于提高隔振系統(tǒng)的隔振能力。設(shè)隔振系統(tǒng)的前3階固有頻率為,,, 則隔振系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)如下:

5 隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 多目標(biāo)遺傳算法

多目標(biāo)遺傳算法是基于達(dá)爾文進(jìn)化論和遺傳學(xué)機(jī)理, 通過模擬生物進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的仿生學(xué)算法。多目標(biāo)遺傳算法因其優(yōu)秀的全局尋優(yōu)能力和良好的魯棒性, 在優(yōu)化設(shè)計(jì)中被廣泛使用[8], 其求解流程如圖10所示。

算法啟動后將在設(shè)計(jì)變量取值范圍內(nèi)隨機(jī)生成個個體作為初始種群; 依據(jù)個體的適應(yīng)度從種群對種群中的個體進(jìn)行排序; 隨后借助自然遺傳學(xué)的交叉、變異算子, 產(chǎn)生下一代種群+1; 通過收斂準(zhǔn)則判斷是否終止運(yùn)算, 若終止, 則進(jìn)化中得到的具有最大適應(yīng)度的個體為最優(yōu)解, 若不終止, 則繼續(xù)進(jìn)化過程, 直至收斂[9]。

5.2 求解參數(shù)設(shè)置及求解過程

使用ANSYS Workbench Design Exploration模塊進(jìn)行隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì), 將2.1節(jié)中參數(shù)化尺寸取值范圍及增量步長定義為約束條件, 將4.2節(jié)中的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為求解目標(biāo), 選擇多目標(biāo)遺傳算法求解。求解器參數(shù)設(shè)置[6, 10-12], 如表5所示。

求解參數(shù)設(shè)置完成后啟動求解器, 經(jīng)過7代進(jìn)化后種群滿足收斂準(zhǔn)則, 求解結(jié)束, 如圖11所示。目標(biāo)函數(shù)的變化情況如圖12所示。得出的最優(yōu)解尺寸參數(shù)如表6所示。

5.3 優(yōu)化結(jié)果評估

原始方案與優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案隔振性能對比如表7所示。

表5 求解器參數(shù)

表6 最優(yōu)解尺寸值

振動絕對傳遞率曲線對比如圖13所示。

通過對比可知, 優(yōu)化方案較原始方案的最高階固有頻率降低了12.9%, 頻率間隔降低了79.6%, 系統(tǒng)的有效隔振頻率增加了39.1 Hz, 達(dá)到了增加有效隔振頻率的要求。優(yōu)化方案隔振系統(tǒng),,3個方向的振動傳遞率曲線趨于重合, 達(dá)到了3向等剛度的設(shè)計(jì)要求。

表7 隔振性能對比

6 結(jié)束語

針對雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)優(yōu)化問題, 文中提出了一種基于3D設(shè)計(jì)軟件UG和有限元分析軟件ANSYS Workbench的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。建立了聯(lián)合仿真參數(shù)化模型, 計(jì)算了原始設(shè)計(jì)方案的模態(tài)參數(shù), 通過與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對比, 驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。隨后依據(jù)隔振理論確定了目標(biāo)函數(shù), 使用多目標(biāo)遺傳算法對隔振系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì), 達(dá)到了良好的設(shè)計(jì)效果。文中使用參數(shù)優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了隔振器結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 日后在進(jìn)行相關(guān)研究時, 亦可使用無參數(shù)優(yōu)化方法, 開展對結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤顑?yōu)化研究。

[1] 尹韶平, 劉瑞生. 魚雷總體技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.

[2] 周亞東, 雷宏杰, 董萼良, 等. 慣性導(dǎo)航平臺橡膠減振器斜角布置方法[J]. 振動測試與診斷, 2014, 34(3): 447-451.Zhou Ya-dong, Lei Hong-jie, Dong E-liang, et al. Study on Placement Method for Rubber Dampers of Inertial Navigation Platform[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2014, 34(3): 447-451.

[3] Kim S M, Elliott S J, Brennan M J.Decentralized Control for Multichannel Active Vibration Isolation[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2001, 9(1): 93-100.

[4] Vulcan A, Bloch M. A Low Noise Vibration Isolated Airborne Radar Synthesizer[C]//45th Annual Symposium on Frequency Control. [s.l.]: IEEE, 1991: 330-336.

[5] 宋昌才. UG NX8.5標(biāo)準(zhǔn)教程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2016.

[6] ANSYS Inc. ANSYS Workbench Help Document[M]. Canonsburg: ANSYS Inc, 2014.

[7] 丁文鏡. 減振理論[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2014.

[8] Wang X D, Hirsch C, Kang S, et al. Multi-objective Optimization of Turbomachinery Using Improved NSGA-II and Approximation Model[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2011, 200(9): 883-895.

[9] 周明, 孫樹棟. 遺傳算法原理及應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1999.

[10] Yu L J, Liu S Y, Liu F M, et al. Energy Optimization of the Fin/Rudder Roll Stabilization System Based on the Multi-objective Genetic Algorithm[J]. Journal of Marine Science and Application, 2015(14): 202-207.

[11] 李楠, 王明輝, 馬書根, 等. 基于多目標(biāo)遺傳算法的水陸兩棲可變形機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2012, 48(17): 10-20.Li Nan, Wang Ming-hui, Ma Shu-gen, et al. Mechanism- parameters Design Method of an Amphibious Transformable Robot Based on Multi-objective Genetic Algorithm[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(17): 10-20.

[12] 李成冬, 孟春毅. 基于多目標(biāo)遺傳算法的汽車玻璃升降器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2016(3): 253-256. Li Cheng-dong, Meng Chun-yi. Structure Research on Automotive Glass Riser with Multi-Objective Genetic Algorithm[J]. Machinery Design & Manufacture, 2016(3): 253-256.

(責(zé)任編輯: 許 妍)

Optimization Design of Vibration Isolation System for Torpedo Borne Computer Based on Multi-objective Genetic Algorithm

ZHANG Yi-wen1,2, YIN Shao-ping1, WANG Zhi-jie1, GUO Jun1, WU Pei-ming1, CUI Xin-shan1,2

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

To solve the vibration isolation problem of torpedo borne computer in complex mechanical environment, this paper proposes a joint optimization design method based on UG and ANSYS Workbench. A parametric geometry model is established by UG and imported into ANSYS Workbench for finite element modeling. Modal parameters of the original design scheme are calculated and compared with the modal test data to prove the correctness of the calculation model. Then the optimal objective function is determined based on vibration isolation theory, and optimization design of the vibration isolation system is carried out using multi-objective genetic algorithm. Compared with the original design, the optimization scheme reduces the maximum natural frequency by 12.9% and the frequency interval by 79.6%, and increases the effective vibration isolation frequency by 39.1 Hz.

torpedo borne computer; optimization design; multi-objective genetic algorithm; vibration isolation; modal theory

TJ630.3; TB115.2

A

2096-3920(2017)01-0057-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.01.005

2016-11-19;

2016-12-18.

張溢文(1988-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)轸~雷總體設(shè)計(jì).

[引用格式] 張溢文, 尹韶平, 王志杰, 等. 基于多目標(biāo)遺傳算法的雷載計(jì)算機(jī)隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(1): 57-63.