基于改进协作优化算法的塔式起重机金属结构一体化设计研究

摘要

当今机械产品结构日益复杂，且产品竞争日趋激烈，对于机械产品的性能要求越来越高，因而产品的优化设计也不再局限于零件和部件的优化，而是从更高的层次上提出了整机/系统的整体性能优化设计，而传统的设计优化方法求解这类优化问题存在着诸多的缺陷。在这样的工程背景下，一种新的设计优化方法——多学科设计优化诞生了。 多学科设计优化(MultidisciplinaryDesignOptimization，简称MDO)是一种通过充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。其目的是利用系统中的协同机制获得系统整体最优解，通过并行设计来缩短设计周期。本文的目的就是研究多学科设计优化算法及其在塔式起重机金属结构设计中的应用。 由于系统内部各个组成学科(子系统)之间存在耦合作用，多学科设计优化存在着系统分析的计算复杂性和各个学科(子系统)之间的通信复杂性。MDO算法就是解决这两个难题的策略和方法。本文对现有的各种MDO算法进行分析、比较，指出基于分解和协调的双层优化算法是MDO算法的发展方向。 协作优化算法(CollaborativeOptimizaiton，简称CO)是在一致性约束优化算法(CompatibilityConstrainedOptimization，简称CCO)的基础上发展起来的，基于分解和协调的一种双层优化算法。子系统优化时暂时不考虑其它子系统的影响，故各个子系统可以相对独立的进行并行优化，设计冲突由系统级优化问题协调。针对标准CO系统级优化问题中K-T条件不满足而引起的计算困难，本文提出了通过采用权因子，将系统级问题无约束化处理的改进方法。该方法在避免上述计算困难的同时，简化了系统级优化问题。 本文的重点是改进协作优化算法在工程设计中的应用研究。传统的塔式起重机的优化设计是对部件(子系统)分别进行的，这样的作法割离了子系统之间的有机的联系，无法保证整机性能的最优性。通过采用改进的协作优化算法对塔式起重机金属结构的塔帽-吊臂-平衡臂进行一体化方案设计，充分考虑了这三个子系统之间的协同机制，得到了具有整体最优性的设计结果。 采用Matlab的图形用户界面(GUI)对塔式起重机的一体化设计进行了系统集成，开发了基于改进协作优化算法的塔式起重机金属结构一体化设计系统(COBTC)。采用该系统对某型号的塔机进行了优化设计，得到了理想的结果。在论文的最后对全文所作的工作进行总结，并进一步展望了多学科设计优化方法在复杂机械系统设计中的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1工程优化设计的发展历程

1.2塔式起重机设计概况

1.3多学科设计优化方法

1.3.1多学科设计优化的定义

1.3.2多学科设计优化的内容

1.3.3多学科设计优化与并行工程

1.3.4国内外多学科设计优化研究概况

1.4本论文的主要工作

1.4.1 MDO算法的探讨

1.4.2 MDO算法的应用研究

1.5本章小结

2多学科设计优化算法

2.1引言

2.2复杂系统的分解

2.2.1复杂工程系统的分类

2.2.2系统分解类型

2.2.3系统分析过程的优化—设计结构矩阵

2.3多学科设计优化问题的表达和术语

2.3.1多学科设计优化的数学表达

2.3.2多学科设计优化的术语

2.4 MDO的难点与MDO算法的任务

2.4.1 MDO的难点

2.4.2 MDO算法的任务

2.5多学科设计优化算法

2.5.1单级优化算法

2.5.2多级优化算法

2.6本章小结

3协作优化算法及其改进

3.1引言

3.2协作优化算法

3.2.1协作优化方法的系统分解特点

3.2.2 CO的基本构架

3.2.3 CO的系统级问题陈述

3.2.4 CO的子系统级问题陈述

3.2.5 CO的系统级问题和子系统级问题的联系

3.3协作优化算法的特性

3.3.1协作优化算法的求解过程

3.3.2协作优化算法的优点

3.3.3协作优化算法的缺陷

3.4协作优化算法的改进

3.4.1系统级约束的松弛法

3.4.2其它改进方法

3.4.3无约束化处理法

3.5本章小结

4基于改进CO的塔机金属结构一体化设计应用研究

4.1引言

4.2塔帽、吊臂、平衡臂设计计算模型

4.2.1塔帽的计算模型

4.2.2吊臂的计算模型

4.2.3平衡臂的计算模型

4.3吊臂—塔帽—平衡臂一体化设计的计算集成

4.3.1设计结构矩阵

4.3.2符合CO构架的改进设计结构矩阵

4.4吊臂—塔帽—平衡臂一体化设计的数学模型

4.4.1塔帽子系统的数学模型

4.4.2吊臂子系统的数学模型

4.4.3平衡臂子系统的数学模型

4.4.4系统级优化的数学模型

4.5本章小结

5塔机金属结构一体化设计集成系统

5.1引言

5.2系统结构

5.2.1塔式起重机一体化优化设计流程

5.2.2系统的结构与功能

5.3系统功能的实现

5.3.1系统主界面的实现

5.3.2系统参数输入功能的实现

5.3.3优化结果输出

5.4优化设计算例

5.4.1优化算例

5.4.2优化结果

5.5本章小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2多学科设计优化方法应用展望

致谢

参考文献