[發明專利]機械零部件結構尺寸參數及其尺寸公差的區間優化方法

有效

• 申請號: 201610280903.9
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN107330131B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 李榮;楊國來;葛建立;孫全兆;劉寧;李志旭
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06F111/04
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 王瑋

本發明公開了一種機械零部件結構尺寸參數及其尺寸公差的區間優化方法。具體步驟為：確定需要進行區間優化設計的機械零部件的結構尺寸參數；假設結構尺寸參數服從正態分布，離散化結構尺寸參數及其函數，建立基于離散化的區間可能度模型；用區間中點和區間半徑描述結構尺寸參數區間，建立平均公差等級系數；建立機械零部件結構尺寸參數及其尺寸公差的區間優化模型；罰函數法轉化為無約束優化問題；采用多目標遺傳算法求解。本發明能同時優化得到名義尺寸和尺寸公差，能優化得到目標性能更優的解，同時平均公差等級系數工程意義明顯。

技術領域

本發明涉及機械結構優化設計領域，具體是一種基于離散化的區間可能度和加工精度的機械零部件結構尺寸參數及尺寸公差的區間優化方法。

背景技術

傳統的機械設計問題一般是基于確定的參數和優化模型，并借助于經典的確定性優化問題進行求解，但是在實際的工程問題中結構尺寸、材料特性、載荷、邊界條件、元器件參數、測量偏差等的誤差或不確定性必然存在，這些誤差或不確定性會影響設計的優化目標性能或改變約束的可行性，本發明從結構尺寸的不確定性入手來進行機械結構的優化設計。

傳統的結構尺寸優化設計是基于確定性模型得到的最優解，能優化得到設計參數的名義尺寸，再根據實際工程經驗給定名義尺寸的公差，實際參數的尺寸會在名義尺寸附近浮動，尺寸誤差是由制造、測量、裝配和磨損等在現有技術條件下帶來的不確定性因素造成，它會使得目標性能和約束條件在一定范圍內波動，特別是關鍵結構尺寸參數誤差會影響設計的優化目標性能或改變約束的可行性，此時必須考慮目標性能區間和約束條件區間。關鍵結構尺寸參數誤差的分布可以通過長期的生產實踐得到，但是目標性能區間的分布和約束條件區間的分布未知，然而優化過程中要對不同關鍵結構尺寸參數誤差方案的目標性能區間進行比較同時使得約束條件區間得到滿足。

近年來國內外學者針對參數不確定性提出了許多方法，一般而言這些方法基于三類模型：概率模型、模糊模型、非概率模型。概率模型以概率論和隨機規劃為基礎，將不確定性參數看成隨機變量，通過統計方法構造不確定性參數的精確概率分布。模糊模型以模糊理論和模糊規劃為基礎，將不確定參數看成模糊數，構造其模糊隸屬度函數。非概率模型無需構造精準的概率分布或者模糊隸屬度函數，而是用凸集或者區間來描述不確定性參數，只需知道不確定性參數的上下界即可。

C.Jiang，H.C.Xie，Z.G.Zhang提出了一種考慮公差的區間不確定性優化方法，定義了一個無量綱的設計公差指標，采用服從均勻分布的區間可能度模型處理約束函數，這種方法得到了名義尺寸及公差，但它僅用設計變量區間中點求得平均目標性能，沒有將目標性能考慮成區間，更沒有考慮目標性能的區間分布，同時定義的無量綱設計公差指標局限于數學意義。

發明內容

本發明為解決結構尺寸參數和尺寸公差不能同步優化，關鍵結構尺寸參數誤差會影響結構設計的優化目標性能或改變約束的可行性問題，提供了一種機械零部件結構尺寸參數及其尺寸公差的區間優化方法，將關鍵結構尺寸參數區間離散化為離散型隨機變量，來得到目標性能區間分布，以加工精度為評價指標構建平均公差等級系數評價函數，建立考慮目標性能區間分布、約束條件區間分布和加工精度的不確定性優化模型同時優化關鍵結構尺寸參數的名義尺寸和尺寸公差。

本發明技術解決方案：一種機械零部件結構尺寸參數及其尺寸公差的區間優化方法，包括以下步驟：

步驟一、確定需要進行區間優化設計的機械零部件的結構尺寸參數集合X＝[x₁,x₂,...,x_m]，m為參數的個數，含尺寸公差的結構尺寸參數x_j為：