复杂机械结构模糊优化方法及工程应用

摘要

结构设计的初始阶段含有大量的模糊信息。设计参数的取值、设计目标的评价、约束条件的允许范围以及工况等实际上都含有不同的模糊性。本文应用模糊理论描述机械结构的多目标模糊优化设计问题，主要研究结构多目标模糊优化方法及其工程应用。 首先介绍了模糊优化的基本原理和有关概念，给出了单目标模糊数学模型和模糊优化的方法及多目标模糊优化的数学模型、基本概念和模型的求解方法。以斜齿圆柱齿轮为多目标模糊优化进行算例分析，利用 Matlab 优化工具箱求出各种多目标模糊优化求解模型的最优值。 机械工程结构的优化设计往往表现为多目标的形式，多目标优化问题一直是科学和研究领域的难题和热点。传统的解决方法在处理多目标大维数、多模态等复杂问题上存在许多不足。为了解决这一问题，本文研究了带精英策略的非支配排序遗传算法(A Fast and Elitist Multi-objectiVe Genetic Algorithm：NSGA-Ⅱ)。该算法通过编写Matlab的 m 文件测试典型应用函数，具有较高的计算效率，得到分布更为合理的解，且能保持解的多样性分布。因此将其应用于三杆桁架的结构模糊多目标优化设计中，为其它结构模糊多目标优化工程提供了有益的参考。 由于机械结构的复杂性，很多模糊信息难以用数学函数来表达，针对这类问题，本文运用模糊数学和有限元理论，以哈尔滨锅炉厂生产的全量型安全阀阀体为例，进行复杂机械结构的设计分析和模糊优化。基于VC.NET平台及ANSYS提供的APDL语言，开发虚拟环境下的阀体模糊有限元结构设计的主模型，对于复杂、难于掌握的ANSYS命令流进行后台封装，大大减小了复杂机械结构模糊优化分析的工作量。 航天设备有效载荷部件的可靠性设计是确保部件产品可靠性的关键环节，因此在产品的研制中，对保证产品的可靠性有着特殊重要的意义。本文运用模糊数学原理，将NSGA-Ⅱ应用于多目标模糊可靠性优化，在目标解的多样性及收敛性之间达到了更好的平衡，并应用于月球探测卫星(即嫦娥一号卫星)的热控百叶窗蜗杆传动模糊可靠性设计中。且应用ANSYS/PDS工具进行可靠性优化设计进行验证，为零件结构的可靠性分析提供了参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2结构模糊优化研究现状及分析

1.2.1国内外在该方向的研究现状

1.2.2对现行国内外研究的总结

1.3本文主要研究内容

第2章模糊优化设计的基本理论及工程应用

2.1引言

2.2模糊优化的数学模型

2.2.1设计变量

2.2.2目标函数

2.2.3约束条件

2.3模糊优化的方法

2.3.1对称方法

2.3.2非对称方法

2.3.3模糊遗传算法

2.4多目标模糊优化的设计

2.4.1数学模型

2.4.2模糊隶属函数

2.4.3模型求解

2.5算例分析

2.5.1用MATLAB求解模糊多目标

2.5.2求解结果

2.6本章小结

第3章基于NSGA-Ⅱ多目标遗传算法模糊优化

3.1遗传算法的基本流程

3.2多目标遗传算法

3.2.1非支配排序遗传算法NSGA

3.2.2带精英策略的非支配排序的遗传算法NSGA-Ⅱ

3.3基于改进的NSGA-Ⅱ多目标遗传算法模糊优化

3.3.1模糊约束函数清晰化

3.3.2交叉算子的设计

3.3.3改进的NSGA-Ⅱ多目标遗传算法模糊计算过程

3.4改进的NSGA-Ⅱ算例分析

3.5改进的NSGA-Ⅱ在模糊机械结构中的应用

3.6本章小结

第4章复杂机械结构的多参数模糊有限元优化及软件开发

4.1模糊有限元结构设计

4.1.1模糊有限元分析的基本概念

4.1.2结构设计模糊信息及处理

4.1.3模糊参数的结构模糊优化方法

4.2复杂机械结构模糊有限元优化的算例分析

4.2.1安全阀的简介

4.2.2阀体模糊数学模型分析

4.2.3各参数的确定

4.2.4有限元单元选择及分析模型

4.2.5隶属函数的确定

4.3 VC.NET与阀体结构分析APDL程序实现

4.3.1主程序的实现形式

4.3.2 VC.NET与ANSYS的接口技术

4.3.3阀体参数化建模APDL程序设计过程

4.3.4 VC.NET与ANSYS实时生成图片与动画技术

4.4所开发软件的运行过程

4.5模糊优化结果及分析

4.6本章小结

第5章机械多目标模糊可靠性优化

5.1机械模糊可靠性的概述

5.1.1机械模糊可靠性

5.1.2模糊可靠性的计算公式

5.2机械模糊可靠性优化设计

5.3多目标模糊可靠性优化的算例分析

5.3.1设计变量的选取

5.3.2目标函数

5.3.3约束函数

5.3.4模糊约束的非模糊处理

5.3.5基于NSGA-Ⅱ多目标模糊可靠性的优化过程及结果分析

5.4基于ANSYS可靠性设计的算例验证及分析

5.4.1创建概率设计分析文件

5.4.2制定分析文件并定义概率设计模型

5.4.3可靠性分析结果

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢