《振动式离心机动态性能优化设计关键技术与方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《振动式离心机动态性能优化设计关键技术与方法研究（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、LOGO振动式离心机动态性能优化设计振动式离心机动态性能优化设计关键技术与方法研究关键技术与方法研究ResearchonDynamicOptimizationDesignofVibratingResearchonDynamicOptimizationDesignofVibratingCentrifugeEquipmentCentrifugeEquipment主要内容主要内容绪论绪论1离心机振动系统非线性动力学建模离心机振动系统非线性动力学建模2橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试3复模态及有限元结构阻尼优化技术复模态及有限元结构阻尼优化技术4基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于
2、遗传信赖域算法的结构动态优化5总结与展望总结与展望6 一、绪论1 1. .课题的研究背景及意义课题的研究背景及意义亿吨亿吨年份年份17%年份年份增长率增长率2.国内外研究现状：国内外研究现状：3.存在的问题：存在的问题： 分选效率低，理论模型不准确；分选效率低，理论模型不准确； 主轴承、筛篮等易损，维修频繁；主轴承、筛篮等易损，维修频繁； 仿真计算精度低，与实际测试差距较大；仿真计算精度低，与实际测试差距较大； 振动参数不稳定、调整频繁而且困难、噪振动参数不稳定、调整频繁而且困难、噪音大。音大。 一、绪论工作工作环境环境性能性能 成成本本减震降噪减震降噪动力学动力学节能减排节能减排优化设计优化
3、设计动态测试动态测试离心机离心机加工加工效率效率伺服控制伺服控制型号型号人料粒度人料粒度(mm)筛缝尺寸筛缝尺寸(mm)处理能力处理能力(t/h)LI0.25130.250.550100TLL013(25)0.5100150TLL0300.550TLL0300.5100TLL0300.5150TTL0300.5200WZT-1000B500.5120WZT-1150500.5160WZT-1300500.5220WZT-1400500.5250ZWP10000.5130.580VM12000500.4150VM13000500.4/0.5200VM14000500.4/0.5300FC1200
4、01.50.35/0.255080LLL20001.50.25/0.351025LLL70001.50.25/0.351525HSG100050100HSG120050180HSG140050320HSG150050350H70001.550 m3/h H90001.580 m3/h H100001.5100 m3/h 一、绪论4.研究目的研究目的对卧式共振离心机进行优化设计，提高我国自主品牌产品的可靠性和稳定性；对卧式共振离心机进行优化设计，提高我国自主品牌产品的可靠性和稳定性；揭示离心机振动系统的其非线性响应特性；揭示离心机振动系统的其非线性响应特性；提高有限元仿真计算精度；提高有限元仿真
5、计算精度；减少优化迭代的时间，提高计算效率；减少优化迭代的时间，提高计算效率；实现节能减排降低生产设计成本，提高产品附加值实现节能减排降低生产设计成本，提高产品附加值理论模型理论模型有限元模型有限元模型动动力力学学分分析析数值解数值解仿真解仿真解近似解近似解灵敏度分析灵敏度分析动态优化动态优化动态测试动态测试计计算算机机求求解解目标目标结束不满足不满足不满足不满足满足满足修正修正5.5.技术路线技术路线 一、绪论第二章第二章第三、四章第三、四章第三、五章第三、五章第六、七章第六、七章部分离心机主要技术参数 二、振动系统动力学建模1.工作原理工作原理1.驱动电机驱动电机2.主动轮主动轮3.外质体
6、外质体4.大带轮大带轮5.内质体内质体6.橡胶弹簧橡胶弹簧7.振动电机振动电机8.筛篮筛篮9.入料管入料管10.外壳外壳11.出料口出料口12.隔振弹簧隔振弹簧13.出水口出水口14.主轴主轴2.非线性动力学建模非线性动力学建模 二、振动系统动力学建模1）橡胶弹簧的动刚度为单位力下弹）橡胶弹簧的动刚度为单位力下弹簧位移的一次项及三次小量的和；簧位移的一次项及三次小量的和；2）橡胶弹簧的阻尼为一个振动周期）橡胶弹簧的阻尼为一个振动周期内阻尼耗散量的平均值。内阻尼耗散量的平均值。假设假设3.平均法求解平均法求解对于一个弱非线性振动系统，略去非线性项将得到相应的线性系统对于一个弱非线性振动系统，略去
7、非线性项将得到相应的线性系统。平平均均法的基本思想是将法的基本思想是将此此线性系统的振幅和相位角看作是随时间缓慢变线性系统的振幅和相位角看作是随时间缓慢变化的，并将振幅和相位角对时间的导数展成傅氏级数，取一个周期内的化的，并将振幅和相位角对时间的导数展成傅氏级数，取一个周期内的平均值，进而求出方程的解平均值，进而求出方程的解。 二、振动系统动力学建模设设，将上式典则化将上式典则化采用变换采用变换典则方程的派生方程为典则方程的派生方程为设其解为设其解为代入上式代入上式解出解出 二、振动系统动力学建模其中派生方程基础解系派生方程基础解系派生方程共轭派生方程共轭方程的基础解系方程的基础解系 二、振动
8、系统动力学建模通过基础解析的正交关系得通过基础解析的正交关系得主共振情况的定常解主共振情况的定常解引入引入KB变换变换 二、振动系统动力学建模将上两式代入并令将上两式代入并令的一次项相等有的一次项相等有现通过如下积分确定现通过如下积分确定现求现求其中其中 二、振动系统动力学建模同理可以求出求解下面的微分方程组即可得到一次近似解同理可以求出求解下面的微分方程组即可得到一次近似解 二、振动系统动力学建模3.应用案例应用案例 , kg, kg, kN/mm， kNs/mm，同时利用四级四阶龙格库塔公式求解，同时利用四级四阶龙格库塔公式求解，数值解与平均法一次近似解的幅频响应数值解与平均法一次近似解的
9、幅频响应曲线对比如右图所示曲线对比如右图所示。共性共性特点特点误差误差近似解与数值解分别从定性与定量的角度吻合均较好；近似解与数值解分别从定性与定量的角度吻合均较好；极值基本重合，共振区附近近似程度高；极值基本重合，共振区附近近似程度高；工作频率选在工作频率选在22-25.5Hz共振曲线幅值较大，连续平稳无拐点共振曲线幅值较大，连续平稳无拐点；频率的储备能量也足够大频率的储备能量也足够大。理论近似计算值均比数值解小理论近似计算值均比数值解小参数测试误差参数测试误差未考虑高次谐波未考虑高次谐波 二、振动系统动力学建模1.橡胶特性橡胶特性 橡胶材料具有显著的高弹性和非线性，在外力作用下，很容易发生
10、极橡胶材料具有显著的高弹性和非线性，在外力作用下，很容易发生极大的变形，但除去外力后又回复到原来的状态大的变形，但除去外力后又回复到原来的状态。三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试形状和尺寸自形状和尺寸自由裁剪与由裁剪与选择，刚度阻尼可度阻尼可调 减震降噪，共减震降噪，共振振频带较宽 冲冲击刚度度较高，高，有利于减少冲有利于减少冲击变形形 2.剪切刚度测试剪切刚度测试三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试测试结果测试结果三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试4mm/min时载荷位移曲线时载荷位移曲线8mm/min时载荷位移曲线时载荷位移曲
11、线12mm/min时载荷位移曲线时载荷位移曲线试件剪切刚度与加载速率的关系试件剪切刚度与加载速率的关系利用试验数据对其进行最小二乘拟合后可得利用试验数据对其进行最小二乘拟合后可得k1=0.1，b=1.2e-5。在串联布置中，构件整体刚度与每个试件刚度的关系可写成：在串联布置中，构件整体刚度与每个试件刚度的关系可写成：在并联布置中，构件整体刚度与每个试件刚度的关系可写成：在并联布置中，构件整体刚度与每个试件刚度的关系可写成：k=0.2，a=2.5e-53.温度对剪切刚度的影响温度对剪切刚度的影响三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试序号序号温度温度T()剪切力剪切力P(kN)切
12、向位移切向位移X(mm)刚度刚度K(kN/mm)1250.100.250.4020.210.50.4230.400.750.5340.5410.5450.661.250.52860.751.50.570.891.750.518300.090.250.3690.170.50.34100.310.750.413110.5210.52120.671.250.536130.811.50.54140.901.750.51415350.090.250.36160.180.50.36170.360.750.48180.5110.51190.631.250.50200.801.50.53210.921.750
13、.5322400.100.250.40230.190.50.38240.370.750.493250.5110.51260.701.250.56270.821.50.55280.931.750.53橡橡胶胶弹弹簧簧的的平平均均刚刚度度呈呈现现先先减减小小，后后增增大大的的趋趋势势，即即在在30时时达达到到最最小小值值0.46kN/mm，但但整整体体而而言言相相差差不不大大，说说明明在在这这个个温温度度范范围围内内工工作作，弹弹簧簧的的刚刚度度不不会会发发生生太大变化。太大变化。4.动刚度测试动刚度测试三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试 测试结果测试结果编号编号阻尼阻尼均值
14、均值试件试件10.4730.4770.4920.4880.4790.451试件试件20.4990.4810.4880.4790.4750.461 橡胶弹簧的阻尼橡胶弹簧的阻尼橡胶弹簧的阻尼不同频率下的试件迟滞曲线不同频率下的试件迟滞曲线频率频率/激励激励02610141822262960514233950709510903610172650841205152940649010211803610192768871804.513.2223453749010802.559142151762404.513.222.53448688110002.559152050713003.511.519.53048
15、67881050258.513194873平均动刚度平均动刚度三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试5.橡胶弹簧的本构方程优选橡胶弹簧的本构方程优选超弹性曲线拟合是指通过输入实验数据计算超弹性材料力学模型常数，并超弹性曲线拟合是指通过输入实验数据计算超弹性材料力学模型常数，并把这个结果和把这个结果和有限元有限元的超弹性模型进行比较。的超弹性模型进行比较。三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试二参数二参数Mooney-Rivlin模型模型三参数三参数Mooney-Rivlin模型模型五参数五参数Mooney-Rivlin模型模型一阶一阶Ogden模型模型二阶二
16、阶Ogden模型模型一阶一阶Polynomial模型模型二阶二阶Polynomial模型模型一阶一阶Yeoh模型拟合曲线模型拟合曲线橡胶弹簧选择三参数、五参数的橡胶弹簧选择三参数、五参数的Mooney-Rivlin模型以及二阶模型以及二阶Polynomial模型是比较合适的，针对本文所研究的橡胶弹簧，本模型是比较合适的，针对本文所研究的橡胶弹簧，本文选择五参数的文选择五参数的Mooney-Rivlin模型。模型。三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试模型模型计算误差计算误差(%)Mooney-Rivlin模型模型二参数二参数0.15三参数三参数0.07五参数五参数0.01Og
17、den模型模型一阶一阶0.30二阶二阶19.4Polynomial模型模型一阶一阶0.27二阶二阶0.01Yeoh模型模型一阶一阶0.326.有限元验证有限元验证三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试力力(kN)最大位移最大位移(mm)0.53.3629996921.06.644072111.59.856688892.013.0127823882.516.123424473.019.1994532843.522.252161064.025.29419674 网格与边界条件图网格与边界条件图位移云图位移云图应力云图应力云图测试与仿真结果对比测试与仿真结果对比7.共振离心机模态测
18、试共振离心机模态测试三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试模态阶数模态阶数固有频率固有频率(Hz)阻尼比阻尼比振型描述振型描述125.020.0088支撑体沿主轴轴向振动支撑体沿主轴轴向振动233.770.0531支撑体支撑体Y向一阶弯曲向一阶弯曲342.430.0062支撑体支撑体Z向一阶弯曲向一阶弯曲三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试模态阶数模态阶数固有频率固有频率(Hz)阻尼比阻尼比振型描述振型描述124.980.0172筛篮筛篮主轴沿主轴轴向振动主轴沿主轴轴向振动232.540.0050筛篮筛篮主轴主轴Y向一阶弯曲向一阶弯曲365.830.001
19、9筛篮边缘二阶弯曲筛篮边缘二阶弯曲第一阶固有频率在第一阶固有频率在25Hz左右左右振型为沿着主轴轴向振型为沿着主轴轴向振动振动第二阶固有频率第二阶固有频率33Hz振型为振型为z向一阶弯曲向一阶弯曲支撑体与基座连接处的支撑刚度不足导致支撑体与基座连接处的支撑刚度不足导致三、橡胶弹簧及整机动态性能测试橡胶弹簧及整机动态性能测试1 1阶模态阶模态2 2阶模态阶模态支撑体支撑体3 3阶阶筛篮筛篮3 3阶阶动响响应测试发现在在单频激励作用下在激振激励作用下在激振频率率25Hz的的1/2倍倍频即即12.5Hz处出出现较大的峰大的峰值，因此可以判断出，因此可以判断出该振振动系系统存在存在较强的非的非线性特性
20、，性特性，这主要是由于橡胶主要是由于橡胶弹簧的簧的刚度和阻尼非度和阻尼非线性性导致的致的。支撑体第三阶固有频率为支撑体第三阶固有频率为42.43Hz振型为支撑体沿振型为支撑体沿y向一阶倾倒向一阶倾倒支撑体较高而支撑体较高而y向支撑刚度较差导致的，向支撑刚度较差导致的，筛篮筛篮主轴系统的第三阶固有频率为主轴系统的第三阶固有频率为65.83Hz振型振型为筛篮边缘二阶弯曲为筛篮边缘二阶弯曲筛篮的局部模态筛篮的局部模态。1.复模态与实模态对比复模态与实模态对比四、复模态及有限元结构阻尼优化技术复模态及有限元结构阻尼优化技术实模态实模态实模态实模态复模态复模态复模态复模态特点特点各点相位信息不一致，振动
21、各点相位信息不一致，振动会导致模态实部与虚部之间会导致模态实部与虚部之间产生信息转移，使得模态节产生信息转移，使得模态节点位置会随之产生移动。不点位置会随之产生移动。不能通过模态振型向量将整个能通过模态振型向量将整个动力微分方程完全解耦，线动力微分方程完全解耦，线性叠加原理不再适用。性叠加原理不再适用。主要针对钢结构，建筑物等主要针对钢结构，建筑物等计算方法成熟，试验测试较易计算方法成熟，试验测试较易仿真计算准确度高仿真计算准确度高n方程可以用模态坐标解耦方程可以用模态坐标解耦主阵型正交，线性叠加适用主阵型正交，线性叠加适用各节点同时达到最大或最小各节点同时达到最大或最小非比例阻尼非比例阻尼比
22、例阻尼比例阻尼或无阻尼或无阻尼n广泛存在，测试较困难广泛存在，测试较困难n仿真计算误差较大仿真计算误差较大比例阻尼情况下的物理坐标与实模态坐标关系比例阻尼情况下的物理坐标与实模态坐标关系非比例阻尼情况下的物理坐标与复模态坐标关系非比例阻尼情况下的物理坐标与复模态坐标关系四、复模态及有限元结构阻尼优化技术复模态及有限元结构阻尼优化技术2.复模态有限元结构阻尼修正基本思想复模态有限元结构阻尼修正基本思想通通过过酉酉正正交交变变换换，将将复复特特征征方方程程化化为为同同阶阶的的实实方方程程，避避免免将将复复模模态态数数据据按按实实部部与与虚虚部部分分开开而而使使求求解解规规模模扩扩大大的的问问题题，
23、而而后后通通过过求求解解一一个个约约束束最最优优化化问问题题，得得到到了了满满足足特特征征方方程程的的加加权权Frobenius范范数数意意义义下下的的最最优优修修正正阻阻尼尼矩矩阵阵。即即，首首先先认认为为实实测测的的模模态态振振型型，模模态态质质量量及及模模态态刚刚度度是是准准确确的的，再再利利用用复模态分析中的酉正交关系，对测量的阻尼阻尼矩阵进行修正。复模态分析中的酉正交关系，对测量的阻尼阻尼矩阵进行修正。v（1）根据具体分析对象建立系统动力学方程）根据具体分析对象建立系统动力学方程v（2）输入相应的质量矩阵）输入相应的质量矩阵，刚度矩阵，刚度矩阵，阻尼矩阵，阻尼矩阵，测量特征值，测量特
24、征值，实测模态矩阵，实测模态矩阵；v（3）计算酉变换矩阵）计算酉变换矩阵；v（4）计算实矩阵）计算实矩阵；v（5）选择合适的加权矩阵）选择合适的加权矩阵W；v（6）奇异值分解式；）奇异值分解式；v（7）若条件满足，继续；否则，停止；）若条件满足，继续；否则，停止；v（8）计算）计算；v（9）计算）计算C。3.算法描述算法描述四、复模态及有限元结构阻尼优化技术复模态及有限元结构阻尼优化技术4.有限元仿真有限元仿真建模与网建模与网格划分格划分加加载与与求解求解扩展展模模态观察察结果果采采用用即即8节节点点的的低低阶阶六六面面体体单单元元、l0节节点点的的高高阶阶四四面面体体单单元元和和13节节点点
25、的的高高阶阶金金字字塔塔单单元元划划分分。其其中中六六面面体体单单元元用用于于划划分分形形状状规规则则的的部部分分，四四面面体体单单元元用用于于不不规规则则的的部部分分，而而金金字字塔塔单单元元用用于于二二者者之之间间的的过过渡渡。单单元元划划分分图图如如下下图图所所示示，共共118029个节点，个节点，63672个单元个单元。求解器选择求解器选择Unsymmetric求解器求解器四、复模态及有限元结构阻尼优化技术复模态及有限元结构阻尼优化技术迟滞阻尼输入迟滞阻尼输入ANSYS分析软件中支持材料阻尼的输入，一般是通过损耗因子来表示。分析软件中支持材料阻尼的输入，一般是通过损耗因子来表示。我们把
26、阻尼所消耗的能量与系统振动能量之比定义为损耗因子我们把阻尼所消耗的能量与系统振动能量之比定义为损耗因子：其中激振功率其中激振功率Pin=F0V，即激振力与激振点速度的乘积；振动能量则由结构速度响，即激振力与激振点速度的乘积；振动能量则由结构速度响应平方的空间平均值得到，应平方的空间平均值得到，表示时间空间平均表示时间空间平均。MP，DAMP： 输入对应于某种材料的材料阻尼。输入对应于某种材料的材料阻尼。6.计算结果分析计算结果分析四、复模态及有限元结构阻尼优化技术复模态及有限元结构阻尼优化技术仿真计算与模态试验固有频率相对误差仿真计算与模态试验固有频率相对误差第第1-5阶固有频率阵型图阶固有频
27、率阵型图阶数阶数实模态频率实模态频率复模态频率复模态频率测试结果测试结果振型描述振型描述10.460.05+0.44j内质体绕主轴轴向转动内质体绕主轴轴向转动225.662.14+25.02j24.98内质体沿主轴轴向振动内质体沿主轴轴向振动335.623.28+33.19j32.54内质体及支撑体内质体及支撑体y向一向一阶弯曲阶弯曲446.924.52+43.24j42.43内质体及支撑体内质体及支撑体z向一阶向一阶弯曲弯曲568.106.08+66.67j65.83筛篮口处向内二阶弯曲筛篮口处向内二阶弯曲7.结论结论四、复模态及有限元结构阻尼优化技术复模态及有限元结构阻尼优化技术给出了一种
28、修正阻尼矩出了一种修正阻尼矩阵的代数方法，的代数方法，该方法有一个方法有一个简洁的表达式，由的表达式，由这个表达式个表达式可得到可得到Frobenius范数意范数意义下的最下的最优修修正矩正矩阵，修正，修正过程程简单而且容易而且容易实现。不足之不足之处是修正以后模型破坏了原有限元是修正以后模型破坏了原有限元模型的模型的带状性。状性。基于复模基于复模态测试的有的有限元限元结构阻尼矩构阻尼矩阵修修正技正技术仿仿真真结果果显示示复复模模态频率率与与实模模态频率率比比例例阻阻尼尼情情况况下下相相比比略略小小，与与试验测得得的的固固有有频率率更更加加接接近近最最大大相相对误差差12.54%。复模复模态的
29、有限元仿真的有限元仿真计算需要事先算需要事先测得得结构的材料阻尼比构的材料阻尼比基于基于ANSYS的有限的有限元非元非线性阻尼仿真技性阻尼仿真技术研究研究1.模态控制方法模态控制方法五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化应用动力吸振器的吸振技术应用动力吸振器的吸振技术降低共振幅值的阻尼技术降低共振幅值的阻尼技术切断振动传递的隔振技术切断振动传递的隔振技术修改结构的优化技术修改结构的优化技术4123共振式离心机由于采用二次激振，目的是以小的激振力获得较大的振动幅值，共振式离心机由于采用二次激振，目的是以小的激振力获得较大的振动幅值，因此在保证其安全、可靠运行的情况下
30、，应尽量提高筛篮因此在保证其安全、可靠运行的情况下，应尽量提高筛篮主轴系统的轴向主轴系统的轴向振动位移，降低其它零部件的振动，减轻各部件质量，达到高效、节能、低振动位移，降低其它零部件的振动，减轻各部件质量，达到高效、节能、低设计生产成本的目的。设计生产成本的目的。2.信赖域方法信赖域方法信赖域方法是一种能够保证算法总体收敛性的最优化方法也是现阶段信赖域方法是一种能够保证算法总体收敛性的最优化方法也是现阶段研究的热点，它不仅可以用来代替一维搜索，而且也可以解决研究的热点，它不仅可以用来代替一维搜索，而且也可以解决Hesse矩阵矩阵(或其近似或其近似)不正定和不正定和为鞍点等困难为鞍点等困难。五
31、、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化设目标函数的下降量设目标函数的下降量设模型函数的下降量设模型函数的下降量定义比值定义比值五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化它衡量型函数与目标函数实质上是用一个二次模型搜索代替原来的目标函数，因此可以解决原实质上是用一个二次模型搜索代替原来的目标函数，因此可以解决原函数的二次求导不稳定甚至出现奇异等问题，且信赖域方法根据模型函数的二次求导不稳定甚至出现奇异等问题，且信赖域方法根据模型函数与目标函数的一致程度，确定搜索范围，用简单的二次模型函数函数与目标函数的一致程度，确定搜索范围，用简单的二次模型
32、函数的函数值直接代替原函数复杂的计算过程，因此能够大大减少计算时的函数值直接代替原函数复杂的计算过程，因此能够大大减少计算时间和计算机的存储量间和计算机的存储量3.遗传算法特点遗传算法特点五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化具有很强的鲁棒性具有很强的鲁棒性能够进行概率意义上的全能够进行概率意义上的全局搜素局搜素遗传算法对所求解的优化遗传算法对所求解的优化问题没有太多的数学要求问题没有太多的数学要求计算量大，特别是复杂目计算量大，特别是复杂目标和多种群时标和多种群时难于处理非线性约束难于处理非线性约束早熟现象早熟现象遗传参数选择编码规则搜索区间4.遗传信赖域混合优
33、化算法遗传信赖域混合优化算法step1. 给出初始点 ，信赖域半径的上界step2. 如果 停止；step3a. 随即生成M个初始个体组成初始群体 并求出各个个体的适应度 ；step3b. 依 对 进行降序排列，记忆前N个个体；step3c. 对 进行轮盘赌选择得 ，对 进行单点交叉得 ，对 作均 匀变异得 。step3d. 合并 与 ，对这 M+N个个体，计算 在 时，对适应度较大的施以惩罚step3e. 依这M+N个个体新的适应度排序，记忆前M 和前 N个个体。step3f. 若停止条件不满足，则t:=t+1 将step3e中的前M个个体作为初始条件，转 step3c；否则输出 ，记 。五
34、、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化在 step4. 计算 和 。令step5.校正信赖域半径。令step6. 产生 ，校正 ，令 ,转step2。其中，step3a-step3f为遗传算法求解最小二乘信赖域子问题的迭代过程。五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化5.测试测试本文选用香蕉函数本文选用香蕉函数为测试函数，因其在最优解附为测试函数，因其在最优解附近函数图象非常光滑平台，常见的利用函数导数作为搜索方向的各种牛顿近函数图象非常光滑平台，常见的利用函数导数作为搜索方向的各种牛顿法都极易收敛到局部最小点，所以可以佐证遗传信赖域算法
35、的全局收敛性法都极易收敛到局部最小点，所以可以佐证遗传信赖域算法的全局收敛性及优越性及优越性。本算例中遗传参数的选取如下本算例中遗传参数的选取如下精度控制为精度控制为；初始种群个数初始种群个数M=20；交叉概率交叉概率P1=0.9；变异概率变异概率P2=0.08；迭代次数迭代次数N=100；测试结果如下测试结果如下：五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化香蕉函数云图香蕉函数云图遗传算法迭代图遗传算法迭代图6.动态优化的基本思想与步骤动态优化的基本思想与步骤 机械动态优化设计就是在考虑动态载荷机械动态优化设计就是在考虑动态载荷(系统的输入，包括动力输入及系统的输入，
36、包括动力输入及其它干扰输入其它干扰输入)作用下，针对其现有的结构形式，进行动力优化修改，主要作用下，针对其现有的结构形式，进行动力优化修改，主要是确定机械的结构形态、构件尺寸参数、阻尼特性、弹性系数等，使得机是确定机械的结构形态、构件尺寸参数、阻尼特性、弹性系数等，使得机械产品的动态性能能够满足使用上的需要。械产品的动态性能能够满足使用上的需要。五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化确确定定目目标函函数数，建建立立动力力学学模模型型，分分析析结构构的的动态特性；特性；确确定定设计变量量和和修修改改准准则；对目目标函函数数及及约束束条条件件灵敏度分析；灵敏度分析；对
37、敏敏感感的的结构构参参数数变量量进行修改行修改；7.动态优化设计三要素动态优化设计三要素五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化优化设计优化设计参数优化参数优化结构优化结构优化局部拓扑局部拓扑整体拓扑整体拓扑目标函数目标函数优化变量优化变量约束条件约束条件质量，成本，时间最小！质量，成本，时间最小！应力区间应力区间位移区间位移区间固有频率区间固有频率区间选取灵敏度高的设计变量为优选取灵敏度高的设计变量为优化变量化变量8.优化计算优化计算五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化先通过对目标函数增加罚函数的方法将约束最优化问题变为无先通过对目
38、标函数增加罚函数的方法将约束最优化问题变为无约束最优化问题，再将目标函数中各项进行平方求和，转化为最小约束最优化问题，再将目标函数中各项进行平方求和，转化为最小二乘问题。二乘问题。其中其中利用利用上文上文提出的遗传信赖域混合算法对此非线性最小二乘优化问题进行求解，提出的遗传信赖域混合算法对此非线性最小二乘优化问题进行求解，经过经过14次迭代运算，迭代收敛情况见次迭代运算，迭代收敛情况见下下图图，优化后的结果见优化后的结果见下下表表五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化迭代计算收敛情况迭代计算收敛情况No.设计变量设计变量初始值初始值优化值优化值变化率变化率(%)1
39、主轴长主轴长700mm720mm2.92主轴直径主轴直径130mm104mm203橡胶弹簧切向橡胶弹簧切向刚度刚度0.4kg/mm0.39kg/mm0.5%4底座高度底座高度200mm235mm17.55总质量总质量2097kg2006kg4.36第第2阶固有频率阶固有频率25.66Hz25.21Hz1.757第第3阶固有频率阶固有频率35.62Hz42.13Hz18.288第第4阶固有频率阶固有频率46.92Hz50.52Hz7.679第第5阶固有频率阶固有频率68.10Hz79.27Hz16.410筛篮筛篮主轴系主轴系统振动幅值统振动幅值23mm31mm34.811底座振动幅值底座振动幅值
40、2.7mm2.1mm22.2六、总结与展望总结与展望综综述述了了共共振振式式离离心心机机国国内内外外的的发发展展现现状状及及存存在在的的各各种种问问题题，详详细细介介绍绍了了双双质质体体共共振振离心机的工作原理与结构特点，从而提出了本文的研究目的及意义。离心机的工作原理与结构特点，从而提出了本文的研究目的及意义。提提出出了了振振动动体体两两自自由由度度非非线线性性动动力力学学模模型型，并并基基于于平平均均法法进进行行近近似似解解推推导导，得得出出其其一次近似解，幅频响应曲线，以及确保离心机高效稳定工作的各种结论。一次近似解，幅频响应曲线，以及确保离心机高效稳定工作的各种结论。对对WZY1400
41、型型离离心心机机上上的的橡橡胶胶弹弹簧簧板板进进行行了了拉拉伸伸静静刚刚度度与与剪剪切切方方向向动动静静刚刚度度实实验验测测试试，基基于于测测试试结结果果通通过过比比较较各各种种橡橡胶胶的的本本构构模模型型得得出出了了适适合合该该种种材材料料的的五五参参数数Mooney-Rivlin本构关系本构关系采采用用单单点点敲敲击击多多点点加加速速度度传传感感器器拾拾振振的的方方法法对对WZY1400型型双双质质体体共共振振离离心心机机进进行行模态测试并就其在不同工况下的工作特点进行动响应测试。模态测试并就其在不同工况下的工作特点进行动响应测试。给给出出了了一一种种修修正正结结构构有有限限元元模模型型阻
42、阻尼尼矩矩阵阵的的代代数数方方法法，本本方方法法表表达达式式简简洁洁，由由该该表表达式可以得到达式可以得到Frobenius范数意义下的最优修正矩阵，修正过程简单且易实现。范数意义下的最优修正矩阵，修正过程简单且易实现。在在Ansys中中采采用用Unsymmetric求求解解器器对对整整机机有有限限元元模模型型进进行行求求解解，结结果果显显示示考考虑虑非线性迟滞阻尼的仿真解与比例阻尼情况下的解相比更接近测试值。非线性迟滞阻尼的仿真解与比例阻尼情况下的解相比更接近测试值。提提出出了了遗遗传传信信赖赖域域混混合合优优化化算算法法，给给出出了了该该算算法法的的严严格格数数学学证证明明以以及及具具体体
43、的的算算法法流流程，通过具体的算例证明了算法本身的有效性。程，通过具体的算例证明了算法本身的有效性。基基于于动动力力结结构构修修改改方方法法对对WZY1400型型共共振振式式离离心心机机进进行行动动态态优优化化设设计计，借借助助于于本本文文提提出出的的遗遗传传信信赖赖域域混混合合优优化化算算法法求求解解该该最最小小二二乘乘最最优优化化数数学学模模型型，优优化化结结果果显显示示本文提出的共振式离心机动态优化设计方法行之有效。本文提出的共振式离心机动态优化设计方法行之有效。提提出出了了一一套套结结合合目目前前生生产产现现状状的的，能能够够满满足足共共振振式式离离心心机机动动力力学学建建模模、仿仿真
44、真、测测试试及优化的方法体系。及优化的方法体系。展望展望五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化基于遗传信赖域算法的结构动态优化双双质质体体共共振振离离心心机机的的动动态态优优化化设设计计方方法法研研究究涉涉及及到到不不同同学学科科中中的的多多种种专专业业知知识识，是是一一个个综综合合性性较较强强的的方方法法体体系系。受受当当时时间间与与试试验验条条件件的的限限制制，还还存存在在一一些些不不完完善善及及需需进进一一步步研研究究的的工工作作，在在接接下下来来的的学学习习过过程程中中应应该该继继续续补补充充改改进进，主主要要体体现在以下几个方面：现在以下几个方面：理理论对于于含含强非非线性性项的的非非
45、线性性动力力学学方方程程还没没有有好好的的求求解解办法法，近近似似解解具具有有一一定定的的局限性。局限性。试验目目前前的的模模态测试技技术主主要要针对的的还是是线性性系系统，对于于含含非非线性性弹性性元元件件的的动力力设备测试精度精度较差差。仿真仿真有限元模有限元模态仿真仿真计算算过程中无法程中无法实现材料非材料非线性性项的的输入，目前入，目前的求解器的求解器还不能不能很好的解决此很好的解决此类问题，这有待于有待于新算法的提出和新算法的提出和实现。博士期间科研情况博士期间科研情况发表论文发表论文v1胡胡淼淼，王太勇。基于弹光调制的近红外光谱吸收法在室内VOC检测中的研究。光谱学与光谱分析(SC
46、I：859TT， EI: 20115014598193)v2Miao Hu, Tai Yong Wang, Shuai Yang, Zhi Feng Qiao, Dian Peng Li, Research on mechanical structure optimization oriented to dynamic characteristics, Applied Mechanics and Materials, 2010, 33: 533538. (EI: 20110113554492)v3Hu Miao,Wang Taiyong, Geng Bo, Wang Qichen, Based
47、 on GA Mixed with Trust Region Method Solving Nonlinear Least Square Problems, Applied Mechanics and Materials, 2012, 141(1): 9297. (EI: 20114914580049)v4Wang T.Y., Hu M.; Yue J.H., Jiang Y.X., Liu L., Qiao Z.F., Optimization Design of Vibrating Centrifuge Equipment Based on Test FEM Simulation and
48、Sensitivity Analysis, Advances in Maintenance and Condition Diagnosis Technologies Towards Sustainable Society, COMADEM2010, Japan: Nara, 2010, 425431.( EI: 20103613221112)v5胡胡淼淼，王朝阳，耿博，基于动态测试有限单元法及灵敏度分析的螺旋锥齿轮铣齿机优化设计，CAD/CAM与制造业信息化，2011，10：6365v6Han Zhiguo, Hu Miao, Module partition and evaluation m
49、ethod of NC spiral bevel gear machine tools, Applied Mechanics and Materials, 2012, 141(1): 370375.(EI: 20114914580100)v7王朝阳，胡淼胡淼，汤永红，轮履复合式移动机器人设计及越障功能分析，机械传动，2010，38（4）：3841v8Geng Bo, Wang Taiyong, Hu Miao, Wang Qichen, Lin Jinzhou, Li Dianpeng, Analysis of natural frequency of simply supported bea
50、m with vertical elastic constraint, Applied Mechanics and Materials, 2012, 141(1): 212217 (EI: 20114914580071)v9Zhifeng Qiao, Taiyong Wang, Yunfeng Wang, Miao Hu, Qingjian Liu, Bzier polygons for the linearization of dual NURBS curve in five-axis sculptured surface machining, International Journal o
51、f Machine Tools & Manufacture, 2012, 53(1): 107117. (SCI: 000300547700011, EI: 20115114611719)v10Taiyong Wang, Qiao Zhifeng, Liu Qingjian, Hu Miao, Open CNC System Based on Embedded Monitoring Unit, Advanced Materials Research, 2010, 136: 284288. (EI: 20110113545638)v11刘路，王太勇，蒋永翔，胡胡淼淼，宁倩，基于超球面支持向量机的
52、刀具磨损状态识别，农业机械学报，2011，42（1）：218222. (EI: 20111213783729)v12Qing Li, Dianpeng Li, Taiyong Wang, Miao Hu, Xinhua Xiao, Bo Geng, Modular code combination and database management of NC spiral bevel gear machine tools, Advanced Materials Research, 2011, 201: 13561362. (EI: 2011121766993)v13JiangDayong, Wa
53、ng Taiyong, Jiang Yongxiang, Liu Lu, Hu Miao, Reliability assessment of machine tool spindle bearing based on vibration feature，IEEE Computer Society，2010, 2: 154157.(EI: 20110813695098)参加的科研项目参加的科研项目v1基于动态监控建模和物理仿真的制造系统智能控制理论与模式，国家自然科学基金资助项目，项目编号：50475117v2基于网络和状态监测的层次化嵌入式开放结构数控系统TDNC-M4及TDNC-L4，天津
54、市重点新产品计划项目，项目编号：05YFJZJC01800v3复杂空间型面制造质量在机检测系统及信息集成技术研究，国家高技术研究发展计划（863计划），项目编号：2006AA04Z146，v4基于自主数控系统的机床整机监测诊断试验平台，国家科技重大专项，项目编号：2009ZX04014-101-05v5汽车零部件加工成套自动化生产线，国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目，项目编号：2007AA042005v6禹州市钧瓷研究所资助项目，项目编号：G208591。v7唐钢热连轧生产线有限元分析，横向课题v8天津市新赤峰桥锚具有限元分析与实验测试，横向课题v9唐山煤炭研究院卧式振动离心机动态性能测试与仿真分析，横向课题v10天津津伦精密机械测漏机可适应性设计平台开发，横向课题v11天津精诚机械弧齿锥齿轮数控机床动态性能测试与仿真，横向课题v12天津国际机械集团PDM项目，横向课题v13连云港泛亚莫斯压力容器仿真计算项目，横向课题博士期间科研情况博士期间科研情况LOGO
