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第1篇

【關(guān)鍵詞】多孔材料；多功能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0.引言

隨著工業(yè)裝備和航空航天的迅猛發(fā)展，對(duì)高性能材料的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，如：輕量化、高剛度、高散熱、抗沖擊性和多功能化應(yīng)用等。多孔金屬材料因其優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用前景，近年來成為研究的焦點(diǎn)。

多孔金屬材料性能與孔結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，孔隙率與多功能性能相關(guān)。改變孔隙率和孔的結(jié)構(gòu)將影響材料的綜合性能。因此，可根據(jù)不同需求對(duì)其結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文將結(jié)合多孔材料的性能表征，對(duì)輕質(zhì)多孔材料進(jìn)行多功能化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.多孔材料多功能特性

多孔金屬材料具有獨(dú)特的多功能特性，包括：

（1）多孔材料的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)體材料的密度。不同多孔材料孔結(jié)構(gòu)不同，一般孔隙率都較高。

（2）抗沖擊性 多孔金屬在承受壓應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生塑性變形，大量的沖擊量被轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄阅埽詿崃啃问胶纳ⅰ?/p>

（3）高剛性 蜂窩多孔材料有很好的力學(xué)性能，同時(shí)其性能有較強(qiáng)方向性。

（4）高散熱性多 孔金屬是優(yōu)良的傳熱介質(zhì)，可以作為飛行器和超高速列車的散熱裝置。此外，在高孔隙中流過冷卻劑，可達(dá)到冷卻和承載的目的，在航天結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

（5）吸聲效果 與傳統(tǒng)材料相比， 多孔泡沫結(jié)構(gòu)吸聲效果良好。

綜上所述， 多孔材料具有高剛度、高強(qiáng)度、輕量化和高散熱性等明顯優(yōu)勢(shì)。多孔金屬既是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，也是性能優(yōu)異的功能材料，在交通、海洋采油、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域中有著重要意義。多孔材料不僅性能優(yōu)良，也降低能源消耗和減少環(huán)境污染。

2.多孔材料的性能表征

2.1 多孔金屬材料靜力學(xué)性能

在恒定載荷下，對(duì)輕質(zhì)多孔金屬材料的靜力學(xué)性能研究。當(dāng)這些構(gòu)件比較復(fù)雜時(shí)，一般采用數(shù)值方法來研究其破壞變形；當(dāng)宏觀結(jié)構(gòu)較為單一簡(jiǎn)單時(shí)，本構(gòu)理論也較簡(jiǎn)單，且計(jì)算效率高，往往是數(shù)值方法中的主要方法。

本章使用ANSYS有限元程序進(jìn)行有限元分析，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模型使用三維四面體單元。材料楊氏模量為70GPa，屈服應(yīng)力為150MPa，泊松比為0.3。

建立多孔金屬材料有限元模型，有限元分析表明，該材料彈性模量和壓縮強(qiáng)度均明顯提高，材料彈性模量隨孔徑比的增加而增大，壓縮屈服應(yīng)力隨孔徑比的增加先增大后減小。對(duì)壓縮變形機(jī)理進(jìn)行討論，變形主要為斜桿的彎曲變形，同時(shí)，小桿的彎曲變形機(jī)制使表現(xiàn)出不同的塑性流動(dòng)特性。

研究表明，隨著孔徑比的增大，材料表現(xiàn)出不同的流動(dòng)行為。材料塑性變形主要集中在斜桿上，孔洞的四個(gè)頂點(diǎn)處幾乎沒有變形，因此，斜桿的彎曲是泡沫金屬壓縮時(shí)的主要變形機(jī)制。提高孔徑比，彎曲剛度顯著提高，且塑性應(yīng)變集中在壓縮方向的小桿上。當(dāng)小桿截面積逐漸增大時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力也逐漸提高，直至斜桿發(fā)生屈服。

2.2 多孔金屬材料動(dòng)力學(xué)性能

在實(shí)際應(yīng)用中，多孔金屬可承受動(dòng)態(tài)荷載而產(chǎn)生大范圍變形，本文通過選擇基體材料、孔隙結(jié)構(gòu)來控制動(dòng)態(tài)變形特征，可使多孔金屬成為理想的吸能材料。多孔金屬在高變形下的動(dòng)態(tài)性能和破壞機(jī)理研究對(duì)于其的廣泛應(yīng)用具有重要意義。此外，載荷作用下力學(xué)行為的研究也是結(jié)構(gòu)材料的重要前提之一，尤其對(duì)抗沖擊材料在軍事和防恐領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。

多孔材料在沖擊下的變形模型一般采用動(dòng)量守恒和能量守恒得出動(dòng)態(tài)激勵(lì)下的變形。多孔金屬材料的吸能機(jī)理研究已成為當(dāng)前多孔材料研究的熱門方向。金屬多孔材料抗沖擊分析是建立在靜態(tài)模型基礎(chǔ)上的，未考慮應(yīng)變效應(yīng)的影響，很難準(zhǔn)確得出整個(gè)材料的動(dòng)態(tài)性能。如何進(jìn)行沖擊荷載下的強(qiáng)度和破壞研究，建立相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系及破壞判據(jù)，需要進(jìn)一步深入研究。

2.3 多孔金屬材料熱力學(xué)性能

孔隙傳熱是多孔金屬多功能特性中最受廣泛關(guān)注的領(lǐng)域。材料的高熱傳導(dǎo)系數(shù)和對(duì)流換熱使得多孔金屬具有優(yōu)良的換熱性能。

傳熱性能研究一般集中于常溫導(dǎo)熱和單相對(duì)流傳熱。根據(jù)多孔金屬結(jié)構(gòu)的流體動(dòng)力特性，確定了不同雷諾數(shù)作用下的動(dòng)量方程，得出了慣性力表達(dá)式；根據(jù)空氣冷卻對(duì)流換熱特性，測(cè)定了對(duì)流傳熱隨微結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，建立單相對(duì)流傳熱模型；測(cè)定真空狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，進(jìn)而確定了高溫下的熱傳遞規(guī)律。隨著相對(duì)密度的提高，多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨之增大，且導(dǎo)熱系數(shù)與相對(duì)密度基本成線性關(guān)系。

3.多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)材料的設(shè)計(jì)通過調(diào)整單一材料設(shè)計(jì)參數(shù)使之能夠滿足工程實(shí)際需求。在大多數(shù)情況下，材料的設(shè)計(jì)無法達(dá)到最優(yōu)化。由于上述局限，力學(xué)工作者雖然以材料為研究對(duì)象，但只發(fā)揮其輔助作用。隨著以多孔材料和復(fù)合材料的發(fā)展，材料的可設(shè)計(jì)性已有了較大提高，可根據(jù)工程需求利用優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)出最優(yōu)越的材料。

多目標(biāo)優(yōu)化問題的主要思路是目標(biāo)加權(quán)求解。對(duì)多個(gè)目標(biāo)中，評(píng)價(jià)各目標(biāo)權(quán)重系數(shù) ，將多目標(biāo)歸一化。從而將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題。

在航空航天領(lǐng)域，許多結(jié)構(gòu)件需要同時(shí)滿足強(qiáng)度、隔熱和輕質(zhì)的要求。從第3節(jié)力學(xué)性能研究中我們知道，隨著密度的增大，材料屈服強(qiáng)度提高，多孔金屬板的隔熱性能降低，且孔徑比越大，多金屬板的隔熱性能越好。針對(duì)單一目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行的參數(shù)選取與其他目標(biāo)優(yōu)化的參數(shù)選取是相互矛盾的，需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以選取同時(shí)滿足強(qiáng)度、隔熱和輕質(zhì)要求的材料參數(shù)。

金屬板構(gòu)件參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，首先采用最小二乘法對(duì)屈服應(yīng)力和隔熱參數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合， 以此表達(dá)式作為構(gòu)件的目標(biāo)函數(shù)，通過建立包含強(qiáng)度、隔熱和輕質(zhì)多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，采用權(quán)重法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解。

4.結(jié)論與展望

通過建立了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，求解目標(biāo)最優(yōu)的金屬孔徑比、相對(duì)密度。結(jié)果表明多孔金屬板的綜合性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)金屬板。

多孔金屬材料應(yīng)用前景十分廣闊，但目前很多研究還只限于對(duì)宏觀性能參數(shù)的研究，對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究還較少。

【參考文獻(xiàn)】

第2篇

（1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255022；2.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，

山東 淄博 255022；3.山東理工大學(xué)理學(xué)院，山東 淄博 255022）

【摘要】折疊桌因其藝術(shù)性的設(shè)計(jì)以及節(jié)約空間、方便搬運(yùn)的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代家居生活中倍受青睞。同時(shí)，折疊桌因其可折疊的特性也承受著其穩(wěn)定性與承受力大小的考驗(yàn)。我們采用剛體轉(zhuǎn)動(dòng)模型求解其穩(wěn)定性指標(biāo)，利用各個(gè)加工參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系求解其原料消耗，采用超靜定次數(shù)進(jìn)行定性分析描述其加工方便度，最終利用多目標(biāo)規(guī)劃模型分別賦予不同指標(biāo)優(yōu)先因子對(duì)折疊桌進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 剛體轉(zhuǎn)動(dòng)；多目標(biāo)規(guī)劃；空間坐標(biāo)系；最優(yōu)加工參數(shù)

1　問題由來

工業(yè)設(shè)計(jì)師Robert van Embricqs 設(shè)計(jì)一款名為rising side table [1]，桌子外形由直紋曲面構(gòu)成，桌面呈圓形，桌腿隨著鉸鏈的活動(dòng)可以平攤成一張平板。桌腿由若干根木條組成，分成兩組，每組各用一根鋼筋將木條連接，鋼筋兩端分別固定在桌腿各組最外側(cè)的兩根木條上，并且沿木條有空槽以保證滑動(dòng)的自由度（如圖1所示）。

2　問題分析

在兩根鋼筋所在平面，以兩根鋼筋對(duì)稱軸為x軸，兩根鋼筋中點(diǎn)連線為y軸，垂直地面向上為z軸方向建坐標(biāo)系 （如圖2），木條與圓形桌面的相連接的點(diǎn)記為P點(diǎn)，從外到里分別用P10，P9，…，P1來表示，最中間的點(diǎn)記為坐標(biāo)為P1，且P10的坐標(biāo)為(2.5,25,25)。鋼筋穿過木條的點(diǎn)記為Q點(diǎn)，同理從外到里分別用Q10，Q9，…，Q1，標(biāo)記順序同P點(diǎn)一致。

Fi：第i根木條的開槽位置i=1，2…，10；fi：第i根木條的開槽長(zhǎng)度（i=1，2，…，10）；h2：鋼筋初始位置d：每根木條的寬度；li：木條長(zhǎng)度α：最外側(cè)木條與地面夾角；c：木板的厚度

3　構(gòu)造約束條件

鑒于對(duì)折疊桌的設(shè)計(jì)，需要綜合穩(wěn)固性、經(jīng)濟(jì)性、加工便利性等因素進(jìn)行優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

穩(wěn)固性：

穩(wěn)固性主要受重心位置的高低、支撐面的大小以及結(jié)構(gòu)的影響[2]。根據(jù)桌子穩(wěn)定性測(cè)試（BS4875-5）標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品穩(wěn)固性不達(dá)標(biāo)就不能流通于市場(chǎng)，所以我們把力學(xué)性能分析放在首要地位。穩(wěn)固性主要測(cè)試其豎直承受力與一側(cè)承受力大小。豎直承受力大小多取決于折疊桌的材料，一側(cè)受力多取決于折疊桌結(jié)構(gòu)。將折疊桌視為剛體，其一側(cè)受力發(fā)生側(cè)翻即為剛體轉(zhuǎn)動(dòng)問題。[3]根據(jù)折疊桌使用的木料、鋼筋求其質(zhì)量分布，得其密度ρ（x，y，x）（此處密度可視為常數(shù)）。折疊桌的質(zhì)量

經(jīng)濟(jì)性：折疊桌折疊之前為一塊木板，所需材料即為木板的面積。

加工便利性：

由于桌腿由若干根木條組成，沿木條有空槽以保證滑動(dòng)的自由度，進(jìn)而木條的數(shù)目以及開槽長(zhǎng)度影響加工便利性。根據(jù)力學(xué)原理，每增加一根木條，該結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)便增加一次，因此該結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)[4]，采取增加木條的方法來增加超靜定次數(shù)，降低受力敏感度，是影響其加工便利性與穩(wěn)定性的重要因素。

4　多目標(biāo)規(guī)劃模型

j：木條的寬度；e：木板的寬度；b1：最外側(cè)木條所留桌面邊沿長(zhǎng)度；g：木板長(zhǎng)度

5　結(jié)論分析

折疊桌以其靈活性、便捷性融入百姓生活。本文在保證折疊桌優(yōu)良特性的前提下，引入剛體轉(zhuǎn)動(dòng)分析，結(jié)合多目標(biāo)規(guī)劃模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)折疊桌，保證了其穩(wěn)固性、經(jīng)濟(jì)性、加工便利性。

參考文獻(xiàn)

［1］韓佳成,Robert Van Embricqs.平板折疊桌[J].設(shè)計(jì),2012，8．

［2］劉延柱．剛體動(dòng)力學(xué)理論與應(yīng)用[M]．上海交通大學(xué)出版社，2006-8-1．

［3］wenku.baidu.com/link?url=po 7 pey 2 xG_w0ELxvIgKKosCkC 6 jtfibAZW cBNT00Xx-YJNOh TpBOG 3_c22 TfersEysmn6 iyBkau_bkmEuV9 LDGZpqr51 HuOT2 OWNFqiFLx_&qq-pf-to=pcqq. c2[OL].

［4］錢令希．超靜定與靜定結(jié)構(gòu)學(xué)[M]．科學(xué)出版社，2011．

第3篇

關(guān)鍵詞：主動(dòng)約束層阻尼（ACLD）；多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)；快速非支配排序算法（NSGA-II）；FxLMS算法

中圖分類號(hào)：TB381文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.01.07

Abstract：Based on the finite element model of the plate partially treated with active constrained layer damping（ACLD）， a multi-objective optimization model of the ACLD/plate was established. Design variables include the location-numbering of the ACLD patches， and the objective was to maximize the first two modal loss factors. The fast and elitist non-dominated sorting genetic algorithm （NSGA-II） was improved to carry out the optimization. After the optimal locations were obtained， the controller employing the FxLMS algorithm was developed. The vibration control simulations of the ACLD/plate excited by the same disturbance were carried out with different optimal ACLD patches configurations. It is shown that the better result of vibration reduction can be achieved in passive and active control modes when the optimal ACLD patches configuration are employed.

Key words：active constrained layer damping（ACLD）； multi-objective optimization； fast and elitist non-dominated sorting genetic algorithm（NSGA-II）； FxLMS algorithm

主動(dòng)約束層阻尼（Active Constrained Layer Dam-ping，ACLD）技術(shù)已被證明是一種有效的減振降噪技術(shù)[1-3]，它結(jié)合了傳統(tǒng)的約束層阻尼技術(shù)和主動(dòng)振動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，在較寬的頻段范圍內(nèi)都能夠很好地抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲。ACLD采用離散結(jié)構(gòu)時(shí)，其布置位置對(duì)抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)具有重要的影響。對(duì)ACLD的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以保證在主動(dòng)控制失效時(shí)，仍然有較好的減振降噪效果[4]。目前，采用ACLD技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制時(shí)，對(duì)ACLD襯片布置位置的選擇多是基于某一單一的性能指標(biāo)[5-7]。但在工程應(yīng)用中，ACLD的配置優(yōu)化問題多為多目標(biāo)優(yōu)化問題，要求能夠同時(shí)有效抑制若干階模態(tài)的振動(dòng)，且考慮到實(shí)際的條件限制，還要求有備選方案。因此，研究基于ACLD襯片多目標(biāo)優(yōu)化問題的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制，是十分必要的。

本文首先基于局部覆蓋ACLD片體的懸臂板有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，建立了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。然后采用改進(jìn)的NSGA-II算法對(duì)4片ACLD襯片的布置位置進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，確定了基于Pareto最優(yōu)解理論的ACLD襯片的布置方案。最后選取3組ACLD襯片的布置方案，基于FxLMS算法設(shè)計(jì)了前饋控制器，研究了在同一外擾激勵(lì)下，采用不同的ACLD配置方案時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制效果。

2.1 NSGA-II算法

NSGA-II是一種基于Pareto方法的多目標(biāo)進(jìn)化算法。該算法是Deb[10]等人在非支配排序算法（Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm，NSGA）的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。由于NSGA-II算法具有算法簡(jiǎn)單、收斂速度較快和魯棒性較強(qiáng)的特點(diǎn)，已經(jīng)成為多目標(biāo)優(yōu)化算法的基準(zhǔn)算法之一。2.2 對(duì)NSGA-II的改進(jìn)

本文采用全新的能夠處理整形變量的Laplace交叉算子和冪變異算子，對(duì)NSGA-II算法進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.1 Laplace交叉算子

4 數(shù)值算例

以部分覆蓋ACLD的懸臂板為研究對(duì)象，ACLD板由基層的鋁板、粘彈性層的ZN-1型粘彈材料以及約束層的P-5H壓電陶瓷組成。各層板的材料參數(shù)見表1。約束阻尼板一端約束，形成懸臂板，左端為約束端，將其單元?jiǎng)澐?×8個(gè)單元，則單元的優(yōu)化布置區(qū)間為[1，32]，單元編號(hào)如圖4所示。在下述的優(yōu)化過程中，選取布置4片ACLD襯片。

以上述的懸臂板的前兩階損耗因子最大化為優(yōu)化目標(biāo)，采用改進(jìn)后的NSGA-II算法對(duì)ACLD襯片的位置多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算。設(shè)置合適的遺傳算法參數(shù)，達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)時(shí)結(jié)束程序。各個(gè)目標(biāo)的進(jìn)化歷程可以看出大約進(jìn)化10代左右，各個(gè)目標(biāo)的最大值已經(jīng)收斂。得到的Pareto前沿，對(duì)應(yīng)的9組ACLD襯片的優(yōu)化配置方案，即Pareto最優(yōu)解集，見表2。由圖6可知，Pareto前沿近似為一條曲線，但比較分散，這是由于設(shè)計(jì)變量為一離散的整數(shù)空間而導(dǎo)致的。從Pareto最優(yōu)解集中，挑選4組ACLD的配置，進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，可以看出，采用配置1時(shí)，第1階響應(yīng)最小，但第2階的響應(yīng)最大；采用配置9時(shí)，則反之。采用配置3和7時(shí)，第1階振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)于配置9分別下降了5.6 dB和1.9 dB，第2階振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)于配置1分別下降了6.2 dB和8.8 dB。與配置1和9相比時(shí)，配置3和7則能夠同時(shí)對(duì)前兩階的振動(dòng)響應(yīng)都具有較好的抑制，其中配置3的控制效果更好。

分別選取ACLD襯片的配置1、3和9，基于FxLMS控制算法，建立懸臂板的SISO振動(dòng)控制系統(tǒng)。f1和f2分別為懸臂板結(jié)構(gòu)的第1、2階模態(tài)頻率），懸臂板結(jié)構(gòu)控制前后的響應(yīng)曲線如圖8所示。懸臂板第1階模態(tài)的振動(dòng)能量較第2階模態(tài)的振動(dòng)能量大，在同樣的激勵(lì)下，第1階振動(dòng)響應(yīng)就比較大。此外，配置9對(duì)第1階的振動(dòng)抑制較弱，因此，采用優(yōu)化配置9時(shí)，未控制的振動(dòng)響應(yīng)大于優(yōu)化配置1和3。在同樣的控制器參數(shù)和控制能量下，配置9的振動(dòng)響應(yīng)趨于發(fā)散，配置1和配置3都能夠有效抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，振動(dòng)響應(yīng)分別由2.05 mm和2.14 mm衰減到0.25 mm和接近于0 mm。圖9是ACLD不同襯片下的振動(dòng)響應(yīng)的頻域圖。在未施加控制時(shí)，頻響曲線的結(jié)果有同樣的趨勢(shì)。配置3對(duì)第1階和第2階振動(dòng)響應(yīng)都能夠很好地抑制，配置1則對(duì)第1階振動(dòng)響應(yīng)更有效。由此可以看出，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，對(duì)振動(dòng)被動(dòng)控制時(shí)的ACLD襯片配置進(jìn)行優(yōu)化，并基于此設(shè)計(jì)振動(dòng)主動(dòng)控制器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制時(shí)，都能夠有效地衰減懸臂板的前兩階振動(dòng)響應(yīng)，保證了ACLD技術(shù)用于主被動(dòng)模式時(shí)都具有較好的振動(dòng)抑制效果。

5 結(jié)論

本文基于主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，采用改進(jìn)的NGSA-II算法對(duì)ACLD襯片進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果設(shè)計(jì)了FxLMS前饋控制器，對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)抑制情況進(jìn)行了仿真分析和研究。結(jié)果表明，當(dāng)ACLD結(jié)構(gòu)工作于被動(dòng)模式時(shí)，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法得到的ACLD配置能夠同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的前兩階振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行較好的抑制；工作于主動(dòng)模式時(shí)，基于優(yōu)化的ACLD配置設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，具有更好的振動(dòng)抑制效果，這就保證了ACLD技術(shù)用于主被動(dòng)模式時(shí)都具有較好的振動(dòng)抑制效果。

參考文獻(xiàn)（References）

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作者介紹

責(zé)任作者：張東東（1986-），男，山西晉城人。博士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制研究。

E-mail：

通訊作者：鄭玲（1963-），女，重慶人。教授，博導(dǎo)，主要從事振動(dòng)噪聲控制，智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)，以及汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面的研究。

第4篇

關(guān)鍵詞：智能桁架；壓電作動(dòng)器；遺傳算法；優(yōu)化配置

智能桁架結(jié)構(gòu)采用一體化思想，將控制元件以主動(dòng)桿的形式取代部分結(jié)構(gòu)桿件，使其能夠傳感外界條件，并且能夠通過一定方法控制信號(hào)產(chǎn)生作動(dòng)功能以響應(yīng)外界條件變化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)。

在傳感器與作動(dòng)器的優(yōu)化配置問題求解上，前人采取了枚舉法等一般算法，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隨機(jī)類算法得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究以遺傳算法居多：研究遺傳算法在搜索目標(biāo)函數(shù)方面的應(yīng)用，以及基于其他智能算法思想對(duì)遺傳算法的改進(jìn)。

許銳等[1]使用粒子群算法，姜冬菊等[3]使用混沌優(yōu)化算法，研究了結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。李紅芳等[2]基于混沌理論（Chaos theory）改進(jìn)遺傳算法，使算法對(duì)初值敏感性加強(qiáng)、提高局部搜索速度，提高了遺傳算法的運(yùn)行效率。

1 力學(xué)模型

研究以壓電材料和普通材料組成的智能桁架結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化。壓電材料以堆疊形式疊加形成作動(dòng)器，作為主動(dòng)桿對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的形變或震動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)，并產(chǎn)生電壓與應(yīng)變，通過一定的控制方式（如主動(dòng)控制、被動(dòng)控制或混合控制），對(duì)外界作用進(jìn)行響應(yīng)和調(diào)整，使結(jié)構(gòu)能夠更加穩(wěn)定。

2 遺傳算法設(shè)計(jì)

針對(duì)遺傳算法的收斂過程中的早熟問題，對(duì)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行調(diào)整。有相關(guān)文獻(xiàn)提出的自適應(yīng)函數(shù)，使用動(dòng)態(tài)適應(yīng)度對(duì)演化過程進(jìn)行調(diào)節(jié)：最大適應(yīng)度Fitmax，最低適應(yīng)度Fitmin和平均適應(yīng)度Fitave。設(shè)計(jì)閥值a（0.5

對(duì)于壓電桁架，通過設(shè)計(jì)各桿的橫截面以及主動(dòng)桿位置，使得桁架總質(zhì)量與節(jié)點(diǎn)位移滿足優(yōu)化目標(biāo)。以最小重量W為目標(biāo)，在控制電壓V和桿應(yīng)力σ不超過上限，節(jié)點(diǎn)位移在要求范圍內(nèi)，對(duì)主動(dòng)桿布置以及各桿的橫截面在取值區(qū)間內(nèi)進(jìn)行搜索：

其中：ρ1為普通桿密度；ρ2為壓電桿密度；ai=0表示桿為普通桿，ai=1表示桿為壓電桿。

3 計(jì)算實(shí)例

使用壓電材料優(yōu)化十桿桁架問題（文獻(xiàn)[5]），在原有桿截面問題上增加壓電作動(dòng)器優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使得重量最小且節(jié)點(diǎn)位移在要求內(nèi)。尺寸結(jié)構(gòu)，左端節(jié)點(diǎn)3、6鉸接固定，右端自由。楊氏模量為，許用應(yīng)力為25ksi=172.375MPa，各桿橫截面下限為，普通桿密度為，壓電作動(dòng)器密度，斜桿（桿2、4、6、10）作動(dòng)因子為8.81，橫桿（桿1、3、7、8、9、10）作動(dòng)因子為1.25，壓電桿最大電壓為300V，要求位移小于桿長(zhǎng)，載荷作用于節(jié)點(diǎn)5。

設(shè)計(jì)自適應(yīng)遺傳算法，取初始種群數(shù)M=60；使用浮點(diǎn)編碼橫截面積；使用長(zhǎng)度為10的字符串通過二進(jìn)制編碼進(jìn)行桿位的編碼，其中1代表主動(dòng)桿，0代表普通桿。設(shè)定交叉概率為，變異概率為。迭代200代進(jìn)行搜索，結(jié)果如表1所示。

計(jì)算結(jié)果相比較文獻(xiàn)中，添加了作動(dòng)器使得結(jié)構(gòu)在設(shè)置條件下質(zhì)量降低9.6%，可以證明使用遺傳算法進(jìn)行計(jì)算是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)果證明了使用遺傳算法進(jìn)行作動(dòng)器位置、桿件截面的多目標(biāo)優(yōu)化的可行性，其應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)多也成為可能。

參考文獻(xiàn)

[1]許銳，王澤興，羅雪.桁架優(yōu)化的改進(jìn)粒子群算法[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，30（1）.

[2]李紅芳.混沌遺傳算法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，2004.

[3]姜冬菊.結(jié)構(gòu)拓?fù)浜筒季謨?yōu)化及工程應(yīng)用研究[D].河海大學(xué)，2008.

第5篇

關(guān)鍵詞：提升運(yùn)輸；多目標(biāo)優(yōu)化；控制器；安全保護(hù)

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，礦井生產(chǎn)向大型化、規(guī)模化的煤炭能源基地方向發(fā)展。而礦井提升機(jī)是礦山的關(guān)鍵設(shè)備，是聯(lián)系井下與地面的“咽喉”設(shè)備，由于單次提升量及提升容器愈來愈大，提升速度愈來愈高，提升設(shè)備的安全運(yùn)行直接影響到整個(gè)礦井的生產(chǎn)效率、國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人員生命的安全。一旦發(fā)生重大事故，除設(shè)備安全、人員生命受到威脅外，可能導(dǎo)致整個(gè)礦井癱瘓，將造成重大的損失。所以不斷完善礦井提升機(jī)的控制系統(tǒng)和保護(hù)裝置，開展相關(guān)研究具有重要的意義。

近年來，礦井提升機(jī)的控制與安全保護(hù)問題受到國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注，并開展了很多相關(guān)的研究工作，研究的主要內(nèi)容包括電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與控制技術(shù)、后備安全保護(hù)裝置和運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)等。例如，文獻(xiàn)[1]～[4]等對(duì)礦井提升機(jī)用電動(dòng)機(jī)的控制進(jìn)行了研究，其目標(biāo)主要是提高啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速的平穩(wěn)性和可靠性，降低能耗等，實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)手段是應(yīng)用先進(jìn)的控制理論和數(shù)字變頻技術(shù)；文獻(xiàn)[5]～[7]等對(duì)后備保護(hù)裝置和監(jiān)控系統(tǒng)做了一定的研究，內(nèi)容包括防過卷、防過速、提升力矩保護(hù)、過負(fù)荷及欠壓保護(hù)等。但是，礦井提升機(jī)作為一個(gè)復(fù)雜的典型的機(jī)電一體化設(shè)備，其安全保護(hù)和運(yùn)行控制是密切相關(guān)，互相制約的，僅就某一個(gè)或幾個(gè)方面的性能進(jìn)行改善往往并不能達(dá)到預(yù)期效果。因此，開展礦井提升機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化控制的研究十分必要。

本文針對(duì)礦井提升機(jī)運(yùn)行過程和安全保護(hù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種面向高效、節(jié)能、安全保護(hù)等多目標(biāo)的礦井提升機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，將系統(tǒng)的安全保護(hù)與運(yùn)行控制有機(jī)地結(jié)合起來，在控制裝置中通過微處理器協(xié)調(diào)控制，統(tǒng)一管理，既能提高電機(jī)運(yùn)行的性能，又能保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，達(dá)到高效、節(jié)能、安全和節(jié)約制造成本等目的。本系統(tǒng)主要由控制器、加速度傳感器、張力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、過卷過放檢測(cè)器、液壓制動(dòng)器、變頻調(diào)速器、欠壓過載保護(hù)器和彩色顯示器組成。整個(gè)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)如下三個(gè)方面的功能。

1）提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控部分由加速度傳感器、張力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等組成，實(shí)現(xiàn)箕斗運(yùn)行的加速度、速度、鋼絲繩張力的實(shí)時(shí)采集。當(dāng)箕斗加速度、速度和張力超標(biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。

2）提升機(jī)的安全保護(hù)部分由過卷過放檢測(cè)器、欠壓過載保護(hù)器等組成，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行異常的檢測(cè)，當(dāng)可能發(fā)生過放過卷及出現(xiàn)欠壓或過載等情況時(shí)，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。

3）提升機(jī)運(yùn)行控制部分由變頻調(diào)速器和液壓制動(dòng)器組成，由控制器輸出提升運(yùn)輸?shù)奈宥嗡俣龋?jīng)交-交大功率變頻調(diào)速器控制提升主電機(jī)，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的運(yùn)行；當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時(shí)由液壓制動(dòng)器緊急減速或制動(dòng)。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器mcu選擇晶宏科技的stc12c5a60s2單片機(jī)，這款單片機(jī)功能強(qiáng)大，有8路10位精度ad采樣功能，可實(shí)現(xiàn)加速度傳感器和張力傳感器的信號(hào)采集；有7路外部中斷i/o，可采樣旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào)以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行速度的檢測(cè)；有2路pwm可實(shí)現(xiàn)d/a功能以控制變頻器。另外，過卷過放信號(hào)、欠壓過載信號(hào)和液壓制動(dòng)器控制信號(hào)等屬于開關(guān)量，可由此單片機(jī)的普通i/o口采集。

該單片機(jī)的ttl電平串口經(jīng)max232芯片轉(zhuǎn)換成rs232電平，由9針串口接至彩色顯示器，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面功能。

由于提升機(jī)運(yùn)行電磁環(huán)境惡劣，控制器的輸入輸出信號(hào)全隔離，以提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。開關(guān)量輸出信號(hào)采用歐姆龍繼電器驅(qū)動(dòng)，耐20a電流沖擊。

控制器電路由作者設(shè)計(jì)并進(jìn)行了pcb布線，委托深圳精敏數(shù)字機(jī)器公司加工制作而成，如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件及控制策略設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)箕斗加速度、鋼絲繩張力等模擬量的采集，變頻調(diào)速器模擬量的輸出，過卷過放信號(hào)、欠壓過載信號(hào)和液壓制動(dòng)器控制信號(hào)等開關(guān)量的采集，通過i/o口外部中斷編程實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖信號(hào)的采集。

彩色顯示器人機(jī)界面和單片機(jī)通訊采用modbus協(xié)議，由c語(yǔ)言編寫程序?qū)崿F(xiàn)，能將提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、安全保護(hù)

況以及電機(jī)運(yùn)行頻率等信息顯示在屏幕上，供操作人員查看。

控制策略設(shè)計(jì)是本控制系統(tǒng)軟件的一個(gè)難點(diǎn)，既要實(shí)現(xiàn)提升運(yùn)輸?shù)?段速度圖并保證最快的運(yùn)行速度，又要在兼顧效益的情況下設(shè)計(jì)安全保護(hù)的裕度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了提升運(yùn)輸多目標(biāo)優(yōu)化控制方案，并設(shè)計(jì)了控制器。經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，本優(yōu)化控制系統(tǒng)能提高提升運(yùn)輸?shù)男阅芗斑\(yùn)行安全性。

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第6篇

文章編號(hào)：1672-9498（2016）04001505

摘要：為促進(jìn)港口向低碳、高效的目標(biāo)邁進(jìn)，并兼顧港口自身發(fā)展及其社會(huì)責(zé)任，從能源消耗、碳排放和成本控制等3個(gè)角度出發(fā)，建立港口節(jié)能減排建設(shè)方案多目標(biāo)優(yōu)化模型.將模型運(yùn)用到連云港港口節(jié)能減排項(xiàng)目的優(yōu)化與分析中，利用GAMS軟件進(jìn)行模型求解，得到綜合效益最優(yōu)時(shí)項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)序和規(guī)模.結(jié)果表明：建設(shè)期結(jié)束后，該方法可使連云港港口每年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤6 526.64 t，減少CO2 排放39 390.22 t，獲得4 922.38萬元的節(jié)能減排綜合效益；運(yùn)營(yíng)兩年后即可收回建設(shè)成本.

關(guān)鍵詞：

低碳港口； 節(jié)能減排； 多目標(biāo)優(yōu)化； GAMS

中圖分類號(hào)： U651 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0引言

交通運(yùn)輸業(yè)是能源消耗大戶之一，我國(guó)政府十分重視交通運(yùn)輸業(yè)的節(jié)能減排工作.港口作為水路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，是低碳交通運(yùn)輸體系的重要組成部分.交通運(yùn)輸部印發(fā)《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案（2015―2020年）》，提出以減少污染物排放為核心，以完善法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范為基礎(chǔ)，以推進(jìn)排放控制區(qū)試點(diǎn)示范為抓手，依法推進(jìn)船舶與港口污染防治工作，努力實(shí)現(xiàn)我國(guó)水運(yùn)綠色、循環(huán)、低碳、可持續(xù)發(fā)展.相關(guān)政策制度不夠完善，節(jié)能減排技術(shù)推廣困難以及節(jié)能減排評(píng)價(jià)體系行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，導(dǎo)致我國(guó)港口的節(jié)能減排任務(wù)艱巨、形勢(shì)嚴(yán)峻.對(duì)綠色低碳港口改造的合理規(guī)劃有利于港口向低碳、高效的目標(biāo)邁進(jìn)，推動(dòng)交通運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展，其社會(huì)意義深遠(yuǎn).

早期港口的粗放式發(fā)展靠的是能源資源的高投入、高消耗，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞.后來人們開始了對(duì)綠色低碳港口的研究，許多國(guó)家把低碳理念運(yùn)用于港口發(fā)展中.GOULIELMOS[1]通過總結(jié)歐洲地區(qū)港口環(huán)境保護(hù)政策，提出港口環(huán)境保護(hù)要從運(yùn)輸和海洋環(huán)境兩方面進(jìn)行論證，研究港口環(huán)境問題及產(chǎn)生原因，并指出港口成本應(yīng)納入環(huán)境成本；TICHAVSKA等[2]從拉斯帕爾馬斯港廢氣排放角度出發(fā)，分析港口的外部成本和生態(tài)效率指標(biāo)，研究結(jié)果結(jié)合港區(qū)運(yùn)行情況可用于評(píng)估港口城市的減排量；ODUM等[3]通過對(duì)港口生態(tài)工程的研究，把生態(tài)設(shè)計(jì)因素加入到港口的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)運(yùn)營(yíng)中，使得港口環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展.目前國(guó)內(nèi)港口節(jié)能減排相關(guān)研究主要集中在節(jié)能減排評(píng)價(jià)體系、主要技術(shù)、效率研究等方面.姜海洋[4]、莫琪琪[5]、劉捷等[6]、陳敏慧等[7]從管理體制、工藝技術(shù)、新技術(shù)開發(fā)和節(jié)能減排效果等角度構(gòu)建了港口節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；李海波等[8]和劉洪波等[9]歸納總結(jié)了綠色低碳港口建設(shè)的主要技術(shù)，并分析了其應(yīng)用效果、推廣的制約因素和解決途徑；邵超峰等[10]、劉硯津[11]和耿東耀[12]從優(yōu)化裝卸工藝流程、采用高精尖節(jié)能減排技術(shù)、降低設(shè)備能耗等層面開展節(jié)能減排效率研究；趙雅倩等[13]以經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益為目標(biāo)建立01整數(shù)規(guī)劃模型，并通過Excel軟件求出最優(yōu)解.綜合來看，國(guó)內(nèi)少有學(xué)者從港口節(jié)能減排建設(shè)方案規(guī)劃的角度科學(xué)合理地安排港口節(jié)能減排項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模和時(shí)序以兼顧環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益.

鑒于此，本文從能源消耗、碳排放和成本控制等3個(gè)角度出發(fā)，對(duì)港口節(jié)能減排項(xiàng)目建設(shè)與投資進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃，利用GAMS軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，提出港口節(jié)能減排建設(shè)優(yōu)化方案.

3結(jié)論與展望

長(zhǎng)期以來，港口節(jié)能減排建設(shè)缺乏科學(xué)合理的規(guī)劃，往往僅從投資成本角度考慮項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模和時(shí)序.本文重點(diǎn)從能源消耗和碳排放這兩個(gè)影響環(huán)境的重要因素入手，同時(shí)兼顧投資成本因素，構(gòu)建節(jié)能減排項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模與時(shí)序的優(yōu)化模型，并將模型運(yùn)用到連云港綠色低碳港口的優(yōu)化與分析中.采用GAMS軟件求解得到建設(shè)方案.根據(jù)該優(yōu)化方案可以得到：建設(shè)期結(jié)束后，連云港港口每年能節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6 526.64 t，減少CO2排放39 390.22 t，獲得節(jié)能減排綜合效益4 922.38萬元，運(yùn)營(yíng)兩年后即可收回建設(shè)成本.

當(dāng)然，本文構(gòu)建的模型尚有不足之處，如不能體現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)模效應(yīng)，項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間以年為單位不夠精細(xì)化等，與實(shí)際建設(shè)方案仍存在一定差距.這有待在后續(xù)的研究中進(jìn)一步改進(jìn).

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第7篇

關(guān)鍵詞：遺傳算法；永磁屏蔽電機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

石化行業(yè)使用的永磁屏蔽電機(jī)具有效率高、反應(yīng)速度快以及低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢(shì)，大大拓寬了屏蔽泵的應(yīng)用前景。但由于電機(jī)在定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外表面各用一層非磁性不銹鋼薄套將定子和轉(zhuǎn)子部分屏蔽起來，而且它所使用的稀土永磁材料在電機(jī)成本中占有一定的比例[1]。因此從優(yōu)化設(shè)計(jì)角度研究一種既能滿足特殊工況要求，又能減小磁鋼用量的永磁屏蔽電機(jī)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為設(shè)計(jì)變量的非線性數(shù)值函數(shù)和多峰值函數(shù)，因此采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法很難從根本上解決電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的全局最優(yōu)解問題。遺傳算法[2]是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。該算法能較好地解決了控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性及較優(yōu)值如何重復(fù)迭代等在優(yōu)化設(shè)計(jì)中影響收斂速度和最終優(yōu)化結(jié)果的問題。

文章將遺傳算法引入到永磁屏蔽電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并結(jié)合永磁屏蔽電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)一臺(tái)5.5kW的永磁屏蔽電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了屏蔽泵的輸出性能。

2 永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

2.1 設(shè)計(jì)變量

然后再將這些新生成的子群體合并成一個(gè)完整的群體，在這個(gè)群體中進(jìn)行交叉和變異運(yùn)算，最終可求出多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解。由于權(quán)重系數(shù)的隨機(jī)性，算法將得到多個(gè)不同權(quán)重系數(shù)下的優(yōu)良解，因此保證了群體中對(duì)應(yīng)搜索方向的多樣性和最終優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 約束條件的處理

永磁屏蔽電機(jī)的約束主要是不等式約束，但遺傳算法是無約束優(yōu)化方法，因此需要將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題。罰函數(shù)法是處理非線性約束優(yōu)化問題比較廣泛的一種方法，尤其是在對(duì)解空間中無對(duì)應(yīng)可行解的個(gè)體計(jì)算其適應(yīng)度時(shí)，可以降低該個(gè)體的適應(yīng)度，從而使該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率減小。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章應(yīng)用遺傳算法對(duì)永磁屏蔽電機(jī)的永磁體體積和電機(jī)效率兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后的具體結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。

（1）與傳統(tǒng)算法相比，遺傳算法能同時(shí)搜索解空間中的許多點(diǎn)，且搜索過程是通過適應(yīng)度函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)群體中的個(gè)體進(jìn)行優(yōu)勝劣汰操作，因而能較大概率地獲取全局最優(yōu)解。

（2）針對(duì)多目標(biāo)工程優(yōu)化問題，文章采用統(tǒng)一目標(biāo)法中的線性加權(quán)和法和罰函數(shù)法對(duì)永磁屏蔽電機(jī)的多目標(biāo)問題進(jìn)行優(yōu)化，減少了永磁體用量，并且提高了電機(jī)效率。

參考文獻(xiàn)

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第8篇

【關(guān)鍵詞】多目標(biāo)優(yōu)化；永磁無刷直流電機(jī)；NSGA-Ⅱ；粒子融合

1.前言

電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、用戶要求以及特定約束的條件下，使電機(jī)效率、體積、功率、重量等設(shè)計(jì)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的一種設(shè)計(jì)技術(shù)，被描述為一個(gè)有約束、多目標(biāo)、多變量以及多峰值的復(fù)雜非線性問題，屬于典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，由于電機(jī)磁路中導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性及電樞反應(yīng)的非線性，決定了其目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)多為非線性程度很高的數(shù)值函數(shù)，使其優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度更大，因此選擇適合于永磁無刷直流電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是優(yōu)化設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵[1]。

人們一直致力于探尋非線性的電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以期得到全局最優(yōu)解及其優(yōu)化算法，電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了以單純形法、可變?nèi)莶罘ā⑻荻确榇淼膫鹘y(tǒng)方法到以模擬退火算法、遺傳算法、禁忌搜索算法等全局優(yōu)化算法為代表的新型優(yōu)化算法[2]。近年來，有研究將全局優(yōu)化算法與直接搜索法相結(jié)合的混合尋優(yōu)策略應(yīng)用于某些類型電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如將遺傳算法和模擬退火算法相結(jié)合，充分利用了遺傳算法全局搜索能力強(qiáng)而模擬退火算法局部搜索能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成功地進(jìn)行了長(zhǎng)定子同步直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。有研究將多種優(yōu)化算法綜合，引入電機(jī)優(yōu)化中，如先應(yīng)用模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)算法建立電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，再利用Tabu算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減少電機(jī)體積和設(shè)計(jì)時(shí)間，提高電機(jī)的力能指標(biāo)[4]。

但是，目前流行的各類隨機(jī)優(yōu)化方法和確定性優(yōu)化方法遠(yuǎn)沒有完美地解決避免陷入局部最優(yōu)解的問題[，并且優(yōu)化搜索的收斂速度緩慢，不能令人滿意，迫切需要探索新型的優(yōu)化算法[5][6]。本文提出了基于粒子融合機(jī)制的改進(jìn)NSGA-Ⅱ，并將其應(yīng)用于永磁無刷直流電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與以往的電機(jī)優(yōu)化方法相比，這種新型優(yōu)化算法建立的電機(jī)優(yōu)化模型在全局優(yōu)化搜索和收斂速度方面有很好的優(yōu)勢(shì)，具有重要的指導(dǎo)意義。

2.算法描述

精英非支配解排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）最早由印度研究人員Srinivas和Deb提出，是近年來最有效、最流行的多目標(biāo)進(jìn)化算法[2]，它在解決多目標(biāo)優(yōu)化問題上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但采用的交叉算子搜索性能相對(duì)較弱，在一定程度上限制了算法的搜索性能，使得NSGA-Ⅱ在收斂速度和多樣性保持方面仍需改進(jìn)。而粒子群優(yōu)化算法是一種基于群體智能的演化算法，具有更快的收斂速度，這就為本文設(shè)計(jì)一種新的基于粒子融合機(jī)制的改進(jìn)NSGA-Ⅱ算法提供了現(xiàn)實(shí)的可行性。

2.1 基于粒子融合的NSGA-Ⅱ算法

考慮到在NSGA-Ⅱ中是按二進(jìn)制隨機(jī)競(jìng)賽選擇方法選擇用于產(chǎn)生后代的個(gè)體，而MOPSO中選擇外部檔案中最佳的個(gè)體作為leader時(shí)具有較快收斂速度，按如下折中方法從父代群體中選擇leader。如果則選擇父代群體中程度最大的個(gè)體，否則基于擁擠程度按二進(jìn)制隨機(jī)競(jìng)賽選擇方法從父代群體中選擇。其中，為選擇父代群體中擁擠距離最大個(gè)體的概率，rand為[0，1]間的隨機(jī)數(shù)。

2.1.2 粒子融合NSGA-Ⅱ的算法流程

本文算法流程描述大致如下[7]：

第一步：產(chǎn)生N個(gè)初始父代種群Pt并按比例經(jīng)交叉變異形成N個(gè)子代種群Qt；

第二步：組合父代種群Pt和子代種群Qt為種群Rt，并對(duì)Rt中個(gè)體進(jìn)行非支配排序，確定Pareto前沿F1；

第三步：計(jì)算F1中單個(gè)個(gè)體的局部擁擠距離，并刪除F1在目標(biāo)空間重疊的多余個(gè)體；

第四步：先排除F1中極端個(gè)體，再將其他個(gè)體按擁擠距離從大到小排列；

第五步：按步驟二、三、四的結(jié)果依據(jù)擁擠距離選取N個(gè)個(gè)體作為新的父代種群Pt+1；

第六步：對(duì)于子代群體Qt的每個(gè)個(gè)體（粒子），根據(jù)差異問題解決策略，選擇父代種群Pt+1中擁擠距離最大個(gè)體或者基于擁擠距離按二進(jìn)制隨機(jī)競(jìng)賽選擇方法從父代群體Pt+1中選擇粒子的leader，同時(shí)按式（3）更新個(gè)置，對(duì)位置更新后的Qt中所有個(gè)體各基因座按變異概率Pm進(jìn)行NSGA-Ⅱ中的多項(xiàng)式變異，得到子代群體Qt+1；

2.2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

用本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法對(duì)一臺(tái)270V，10kW，10000r/min的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。在滿足額定技術(shù)要求的前提下，優(yōu)化目標(biāo)定為對(duì)體積、重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、效率4項(xiàng)，并與優(yōu)化前以及一般遺傳算法優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)算優(yōu)化結(jié)果如表1所示。通過表1對(duì)比可見，在滿足技術(shù)要求的條件下，電動(dòng)機(jī)本體的長(zhǎng)度、質(zhì)量、電動(dòng)機(jī)的功率密度、轉(zhuǎn)子外徑、空載轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等電機(jī)因素比優(yōu)化前和用一般遺傳算法優(yōu)化都有一定程度的改善。

以永磁無刷直流電機(jī)的效率為例，驗(yàn)證分析本文算法在永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化上的可行性和優(yōu)越性。針對(duì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的特性，設(shè)電機(jī)系統(tǒng)效率為，且=/，其中，分別為電機(jī)軸端輸出功率與電機(jī)逆變器的功率，采用簡(jiǎn)化方法求出功率器件等效模型粗略估算出逆變器的損耗，最后算出電機(jī)系統(tǒng)效率。在仿真實(shí)驗(yàn)中，取最大進(jìn)化代數(shù)為60，=0.85，采取線性動(dòng)態(tài)變化，最小為0.04，最大為0.2，群體規(guī)模即融合粒子的個(gè)數(shù)為100，仿真結(jié)果顯示電機(jī)效率比單純的使用NSGA-Ⅱ遺傳算法提高了近5%，如圖1所示。永磁無刷直流電機(jī)的其它優(yōu)化問題可以類似地推出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)初始種群和遺傳操作算子，最終通過計(jì)算機(jī)仿真用本文的算法得出優(yōu)化后的Pareto最優(yōu)解，這里不再作詳細(xì)討論。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文在多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于粒子融合機(jī)制的改進(jìn)NSGA-Ⅱ，用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法中的粒子位置更新模式替代搜索性能相對(duì)較弱的交叉操作，成功的解決了兩種優(yōu)化算法的差異問題，應(yīng)用到永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在較大范圍內(nèi)搜索解空間，并能以較快的收斂速度提供解空間內(nèi)分布均勻的Pareto最優(yōu)解集，解決了電機(jī)的非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足技術(shù)要求情況下，電機(jī)的體積、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)電時(shí)間常數(shù)均減小，質(zhì)量減輕，功率重量比提高，提高了電動(dòng)機(jī)的使用效能，為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者提供了決策依據(jù)，具有較大的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：

第9篇

關(guān)鍵詞：礦上支護(hù)設(shè)備；多目標(biāo)優(yōu)化；多學(xué)科設(shè)計(jì)；研究

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.087

礦山支護(hù)設(shè)備是煤礦行業(yè)發(fā)展不可缺少的元素，而液壓支架設(shè)計(jì)過程中顯現(xiàn)出一定的弊端，急需系統(tǒng)解決，在參數(shù)上給予更高的要求，從而降低定媒及媒幫難度。文中從礦山支架設(shè)備協(xié)同遺傳多目標(biāo)設(shè)計(jì)層面進(jìn)行分析，確定完善協(xié)同遺傳算法。

1 協(xié)同遺傳算法

1.1 算法原理

針對(duì)遺傳算法而言，其在計(jì)算過程中并不需要諸多數(shù)學(xué)的必要條件，就能處理不同類型目標(biāo)函數(shù)，并且進(jìn)行一定的約束。因?yàn)樗惴ㄟM(jìn)化本質(zhì)，遺傳算法能夠作用于搜索解，而在此過程中無需考慮內(nèi)部問題。

所謂協(xié)同化處理，主要是作用于兩個(gè)，或是兩個(gè)以上不同物種之間，而其中某個(gè)物種進(jìn)化，勢(shì)必會(huì)對(duì)其它物種產(chǎn)生影響。而針對(duì)協(xié)同進(jìn)化算法而言，基本上采用多個(gè)種群，而對(duì)于不同的物種來說，它們代表著問題解的部分內(nèi)容，而且在組合形式上具有比較完整的解。

1.2 算法框架

礦山支架設(shè)備在礦山開采過程中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用，其相應(yīng)的液壓支架，從本質(zhì)上分析歸屬于多目標(biāo)多學(xué)科進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此，需要利用多學(xué)科設(shè)計(jì)原理，按照算法框架進(jìn)行求解。針對(duì)液壓支架來說，涵蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有以下力學(xué)知識(shí)，如靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等，根據(jù)上述因素可以對(duì)其進(jìn)行分類，分解成兩個(gè)子系統(tǒng)。而對(duì)于兩個(gè)子系統(tǒng)來說，在協(xié)同運(yùn)行并行的前提下，施以并行算法框架。

這種算法框架在實(shí)際應(yīng)用中顯現(xiàn)出自身的優(yōu)勢(shì)，其與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化具有異曲同工之妙，并行施以協(xié)同優(yōu)化處計(jì)算，從某種程度來說，兩者都屬于并行處理策略，然而這種算法框架在應(yīng)用過程中較為便利。

2 優(yōu)化參數(shù)和模型

液壓支架模型設(shè)計(jì)需要根據(jù)相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)才能得以不斷優(yōu)化，協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，并不涵蓋設(shè)備選型設(shè)計(jì)，主要針對(duì)已經(jīng)存在的設(shè)備實(shí)施優(yōu)化處理，在結(jié)構(gòu)上不斷完善。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)每一次的迭代，都能表現(xiàn)出較為準(zhǔn)確的裝配關(guān)系，并且根據(jù)動(dòng)、靜力學(xué)原理，繼而構(gòu)建簡(jiǎn)化模型，而對(duì)于運(yùn)動(dòng)相關(guān)的副連接，對(duì)其進(jìn)行有效的簡(jiǎn)化，主要是對(duì)重點(diǎn)與頂梁，還有底座實(shí)施應(yīng)力應(yīng)變分析。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程需要，液態(tài)支架模型具體可以分為以下幾種：即靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，并且根據(jù)與此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，形成兩個(gè)子系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)尺寸變量總計(jì)是21個(gè)：X=（x1，x2，…，x21），上述量屬于支架不同結(jié)構(gòu)尺寸。

靜力學(xué)子系統(tǒng)，其局部變量有l(wèi)d、b、l0；狀態(tài)變量和函數(shù)是Ky，A0Ld屬于頂梁兩縱之間，鉸接點(diǎn)的距離，m；b屬于頂梁橫向之間，鉸接點(diǎn)的距離，m；l0是頂梁至底座之間的距離，m；Ky屬于靜剛度；A屬于支撐面積，m2。

動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)，其局部變量是b，h；狀態(tài)變量是Δlz，Δlf。b、h、Δlz、Δlf：頂梁橫向鉸接點(diǎn)距離，支撐高度、頂梁前端軌跡變化、頂梁中部軌跡變化情況。

約束條件：立柱支撐，其俯仰角度是以下范圍之內(nèi)，即50°≤a≤70°。

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述研究可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了相對(duì)較好的效果，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)層面：如目標(biāo)函數(shù)，其頂梁運(yùn)動(dòng)軌跡曲線變化情況、四連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)其受力大小的分析、底座質(zhì)量、底座應(yīng)力應(yīng)變等，相較于傳統(tǒng)計(jì)算模式而言，具有非常顯著的變化。從優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的結(jié)果反饋可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的效果顯著，這主要體現(xiàn)在受力情況分析上，底座最大應(yīng)力發(fā)生了變化，而且應(yīng)力應(yīng)變情況也發(fā)生了變化，但是底座質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)之后并沒有表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。

礦山支護(hù)設(shè)備在應(yīng)用過程中顯現(xiàn)出的弊端是急需解決的問題，重點(diǎn)解決方向是液壓支架問題，表現(xiàn)顯著的是前后部輸送機(jī)問題，需要改善其防滑錨固問題。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，液壓支護(hù)設(shè)備在礦上開采過程中具有廣泛的應(yīng)用性，對(duì)支架設(shè)計(jì)部分進(jìn)行優(yōu)化處理必然能夠達(dá)到良好的效果，根據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)，施以性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改善支架性能，優(yōu)化其受力情況，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多學(xué)科構(gòu)建，最終促使礦山支護(hù)設(shè)備能夠獲得最佳的設(shè)計(jì)效能。

參考文獻(xiàn)：

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