含间隙多体系统灵敏度分析及优化设计

摘要

设计公差、加工误差和磨损等因素造成间隙广泛存在实际机械系统中。间隙导致运动副部件发生碰撞，产生高频振荡和噪声，使机械系统的运动精度以及性能下降，降低机械系统的使用寿命。因此，对考虑间隙的机械系统进行动力学分析是很有必要的，而含间隙多体系统动力学分析方法是考虑间隙的机械系统动力学分析的理论基础。为了降低间隙对机械系统动力学特性的影响，在设计过程中就需要对含间隙多体系统进行优化设计。优化过程中，为了避免优化参数选择的盲目性首先需要对含间隙多体系统进行灵敏度分析。目前，传统的多体系统灵敏度分析方法（直接微分法和伴随变量法）都很难用于对含间隙多体系统进行灵敏度分析。因此，本文提出了基于代理模型的含间隙多体系统灵敏度分析方法。考虑到不确定性因素（材料不均，加工误差等）广泛存在于机械系统中，本文进一步将不确定性分析方法引入含间隙多体系统优化设计，提出了存在不确定性的含间隙多体系统稳健优化方法。具体研究内容如下：
　　（1）含混合间隙多体系统的动力学分析。首先介绍了绝对节点坐标法，旋转副间隙模型的构建，移动副间隙模型的构建，以及接触碰撞力模型和摩擦力模型。随后以曲柄滑块机构为研究对象，构建了同时考虑旋转副间隙和移动副间隙的刚性曲柄滑块机构动力学模型和刚柔耦合曲柄滑块机构动力学模型。在刚体模型中，分四种情况研究了旋转副间隙和移动副间隙对滑块速度、加速度和曲柄力矩的影响；在刚柔耦合模型中，分别在时域和频域内分析了部件柔性对间隙碰撞的缓冲作用，为含混合间隙机械系统动力学分析提供了理论基础。
　　（2）基于绝对节点坐标法的柔性多体系统灵敏度分析。考虑到绝对节点坐标法可以对存在大变形的柔性多体系统进行动力学建模，在绝对节点坐标建模方法的基础上，推导了基于直接微分法和伴随变量法的柔性多体系统灵敏度分析方法，并且对比了两种方法的计算效率。为存在大变形的柔性多体系统灵敏度分析提供了理论支撑。
　　（3）提出了基于代理模型的含间隙多体系统灵敏度分析方法。首先介绍了多项式代理模型和 Kriging模型，然后将这两种代理模型引入多体系统灵敏度分析中，提出了基于代理模型的多体系统灵敏度分析方法。随后，以柔性单摆为例，对比了基于代理模型的多体系统灵敏度分析方法，直接微分法和伴随变量法，以验证代理模型方法的可靠性。最后将提出的基于代理模型的多体系统灵敏度分析方法应用于含间隙四连杆机构。该研究为含间隙多体系统灵敏度分析提供了高效可靠的计算方法。
　　（4）含间隙多体系统优化设计。采用智能算法（粒子群算法和遗传算法）对含间隙多体系统进行了优化设计。首先介绍了传统优化方法和智能优化方法，接着对含间隙四连杆机构和含间隙曲柄滑块机构进行了优化设计。由分析结果可以发现，优化后机械系统的动力学性能明显得到改善。
　　（5）研究了存在不确定性的含间隙多体系统的稳健优化问题。首先介绍了不确定性描述方法，阐述了改进的多目标遗传算法理论和粒子群算法理论，给出了算法的计算流程。然后，采用多目标粒子群算法和多目标遗传算法对弹簧阻尼结构进行了稳健优化分析，验证了与传统优化方法相比稳健优化方法有更高的可靠性，并且能够降低系统性能对参数变化的敏感性。最后，将稳健优化方法应用于对含两个旋转副间隙的四连杆机构进行优化设计，其中认为旋转副间隙大小存在随机不确定性，并且服从正态分布。考虑到含间隙多体系统优化设计效率很低，在优化过程中首先构建了Kriging代理模型。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究工作

第二章 含间隙多体系统动力学特性分析

2.1引言

2.2绝对节点坐标方法

2.3间隙数学模型

2.4接触碰撞力模型

2.5运动副间隙的摩擦力模型

2.6算例分析

2.7本章小结

第三章 基于绝对节点坐标法的柔性多体系统灵敏度分析

3.1 引言

3.2 灵敏度分析

3.3灵敏度求解策略

3.4算例分析

3.5本章小结

第四章 基于代理模型方法的含间隙多体系统灵敏度分析

4.1引言

4.2代理模型基本理论

4.3代理模型方法计算灵敏度步骤

4.4仿真算例

4.5结论

第五章 含间隙多体系统智能优化设计

5.1引言

5.2传统优化设计方法

5.3智能优化算法

5.4数值算例

5.5本章小结

第六章 基于代理模型的多体系统稳健优化设计

6.1引言

6.2不确定性分析

6.3稳健设计基本理论

6.4基于不确定性的稳健优化计算策略

6.5数值算例

6.6本章小结

第七章 结论与展望

7.1研究工作与总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

博士期间完成的科研项目与取得的成果