[發(fā)明專利]一種基于徑向基函數(shù)代理模型的提升機(jī)天輪輕量化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110290251.8
• 申請(qǐng)日: 2021-03-18
• 公開（公告）號(hào): CN112949137B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋學(xué)官;崔鵬;何西旺;周長(zhǎng)安;周威豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/17;G06T17/20;G06F111/04;G06F111/06;G06F119/14
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種基于徑向基函數(shù)代理模型的提升機(jī)天輪輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，確定研究對(duì)象及其受載和約束條件；

以大型礦井提升機(jī)的天輪為研究對(duì)象，根據(jù)正常工況下的工作參數(shù)，分析天輪在該工況下的受載、約束情況，確定有限元邊界條件；

第二步，建立有限元模型，并將計(jì)算出的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)；

2.1)根據(jù)大型礦井提升機(jī)的天輪實(shí)體建立初始的天輪三維模型，并進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，只考慮天輪輪轂、輪輞和輪輻結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象進(jìn)行分析；

2.2)對(duì)簡(jiǎn)化后的天輪三維模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，建立天輪有限元模型，并根據(jù)第一步中確定的受載和約束條件，對(duì)天輪有限元模型施加邊界條件，進(jìn)行有限元計(jì)算得到仿真結(jié)果，其中仿真結(jié)果包括天輪等效應(yīng)力幅值結(jié)果；分析仿真結(jié)果可知：繩張力加載在天輪輪輞45°和0°時(shí)等效應(yīng)力最為集中，所以后續(xù)有限元仿真計(jì)算只進(jìn)行繩張力加載在天輪輪輞45°和0°兩個(gè)角度，得到天輪45°等效應(yīng)力幅值和天輪0°等效應(yīng)力幅值；

2.3)對(duì)天輪實(shí)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，選取應(yīng)力較為集中的天輪輪輻工藝孔邊緣兩點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試該兩點(diǎn)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的正應(yīng)力值，與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的有效性；

第三步，定義設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行參數(shù)化建模；

3.1)根據(jù)第二步所得仿真結(jié)果可知，應(yīng)力集中主要發(fā)生天輪輪輻工藝孔處，在保證與給定配合部件配對(duì)尺寸不變的情況下，即保證輪輞和輪轂尺寸不變，對(duì)天輪輪輻的原始工藝孔進(jìn)行改進(jìn)；

所述改進(jìn)孔結(jié)構(gòu)為：改進(jìn)孔為兩端圓周半徑不同的類橢圓形狀，其沿圓周均勻分布，每90°分布一組，分布四組八個(gè)改進(jìn)孔；每組包含大小兩個(gè)改進(jìn)孔，即每組大、小兩個(gè)改進(jìn)孔的中心線分別與相鄰組的大、小兩個(gè)改進(jìn)孔的中心線夾角為90°，而每組中兩個(gè)改進(jìn)孔中心線夾角為45°；所述的每組改進(jìn)孔中的兩個(gè)孔結(jié)構(gòu)相同，孔的兩端均分別由大小兩個(gè)圓的半圓周組成，小圓端臨近天輪中心；定義大改進(jìn)孔參數(shù)：其頂部與天輪中心距為x₁，其內(nèi)大小兩個(gè)圓形成的兩圓圓心距為x₂，其內(nèi)大圓半徑為x₃、小圓半徑為x₄；定義小改進(jìn)孔參數(shù)：其頂部與天輪中心距為x₅，其內(nèi)大小兩個(gè)圓形成的兩圓圓心距為x₆，其內(nèi)大圓半徑為x₇、小圓半徑為x₈；

3.2將天輪輪輻工藝孔的上述八個(gè)可更改的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)定義為設(shè)計(jì)變量x＝[x₁,…,x₈]^T，對(duì)天輪建立參數(shù)化模型；確定設(shè)計(jì)變量x的大致范圍，并在范圍內(nèi)均勻選取多個(gè)不同的設(shè)計(jì)變量x，依據(jù)參數(shù)化模型，建立多個(gè)天輪三維模型，對(duì)其進(jìn)行第二步有限元仿真計(jì)算得到多個(gè)天輪45°等效應(yīng)力幅值和天輪0°等效應(yīng)力幅值，對(duì)比優(yōu)化前天輪的仿真結(jié)果，分析出合理的設(shè)計(jì)變量x的范圍，最終確定設(shè)計(jì)變量x的可行域；

3.3)采用最優(yōu)拉丁超立方的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)變量x的可行域內(nèi)進(jìn)行均勻隨機(jī)采樣，得到一組只包含設(shè)計(jì)變量x的初始樣本點(diǎn)；根據(jù)初始樣本點(diǎn)中的各個(gè)設(shè)計(jì)變量x、參數(shù)化模型，分別建立相對(duì)應(yīng)的天輪三維模型，并對(duì)其進(jìn)行第二步有限元仿真計(jì)算，得到相對(duì)應(yīng)的天輪質(zhì)量、天輪45°等效應(yīng)力幅值和天輪0°等效應(yīng)力幅值；設(shè)天輪質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)y₁(x)，天輪45°等效應(yīng)力幅值為約束函數(shù)y₂(x)，天輪0°等效應(yīng)力幅值為約束函數(shù)y₃(x)，則y₁(x)、y₂(x)和y₃(x)對(duì)應(yīng)不同設(shè)計(jì)變量x都有不同值，最終得到一組包含設(shè)計(jì)變量x、天輪質(zhì)量y₁(x)、天輪45°等效應(yīng)力幅值y₂(x)和天輪0°等效應(yīng)力幅值y₃(x)的樣本點(diǎn)；

第四步，建立徑向基函數(shù)代理模型；

4.1)根據(jù)第三步得到的樣本點(diǎn)分別建立目標(biāo)函數(shù)y₁(x)和約束函數(shù)y₂(x)和y₃(x)的三個(gè)徑向基函數(shù)代理模型；

4.2)采用交叉驗(yàn)證的方法得出決定系數(shù)R²的平均值，作為對(duì)徑向基函數(shù)代理模型擬合精度的估計(jì)，評(píng)價(jià)徑向基函數(shù)代理模型的有效性；其中，決定系數(shù)R²是用來(lái)評(píng)價(jià)徑向基函數(shù)代理模型的擬合精度；

第五步，建立優(yōu)化問(wèn)題模型并求出最優(yōu)解；

5.1)確定天輪的優(yōu)化目標(biāo)為：質(zhì)量最小，約束條件為：優(yōu)化后的天輪等效應(yīng)力幅值小于第二步計(jì)算出的優(yōu)化前天輪的等效應(yīng)力幅值，建立優(yōu)化問(wèn)題模型，表達(dá)式為：

其中，min(y₁(x))表示優(yōu)化后的天輪質(zhì)量最小化，即目標(biāo)函數(shù)最小化；max(y₂(x))表示優(yōu)化后的天輪45°等效應(yīng)力幅值，即約束函數(shù)最大值；max(y₃(x))表示優(yōu)化后的天輪0°等效應(yīng)力幅值，即約束函數(shù)最大值；S_max為第二步計(jì)算出的優(yōu)化前天輪的等效應(yīng)力幅值；x＝[x₁，..，x₈]^T為設(shè)計(jì)變量；x_L、x_U為設(shè)計(jì)變量取值的下限和上限；j表示設(shè)計(jì)變量序號(hào)，j＝1，…，8；

5.2)在設(shè)計(jì)變量x的可行域內(nèi)，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)初始點(diǎn)，即某一個(gè)設(shè)計(jì)變量x，將該初始點(diǎn)分別代入步驟4.1)中三個(gè)徑向基函數(shù)代理模型中，計(jì)算出初始點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值y₁₁(x)、約束函數(shù)值y₂₁(x)和y₃₁(x)；給初始點(diǎn)增加一個(gè)微小量Δx，繼續(xù)代入三個(gè)徑向基函數(shù)代理模型中，計(jì)算相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)y₁₂(x)、約束函數(shù)值y₂₂(x)和y₃₂(x)：若y₁₂(x)小于初始點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值y₁₁(x)，且約束函數(shù)值y₂₂(x)、y₃₂(x)符合建立的優(yōu)化問(wèn)題模型中的約束條件，即優(yōu)化后的天輪45°等效應(yīng)力幅值和0°等效應(yīng)力幅值小于優(yōu)化前天輪的等效應(yīng)力幅值，則該點(diǎn)選為新的初始點(diǎn)；反之，則依舊使用原本的初始點(diǎn)；反復(fù)進(jìn)行該步驟，直至無(wú)新的初始點(diǎn)可尋，此時(shí)初始點(diǎn)所代表的設(shè)計(jì)變量x即為所尋的最優(yōu)解，即優(yōu)化后的天輪的八個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)；

5.3)根據(jù)最優(yōu)解中八個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的值，以第二步建立天輪三維模型的方法，重新建立天輪三維模型，得到優(yōu)化后的天輪三維模型；

第六步，驗(yàn)證優(yōu)化精度并將優(yōu)化前后的天輪進(jìn)行對(duì)比；

采用第二步有限元建模與計(jì)算的方法對(duì)優(yōu)化后的天輪三維模型進(jìn)行有限元建模和計(jì)算，計(jì)算出優(yōu)化后的天輪質(zhì)量和等效應(yīng)力幅值的預(yù)測(cè)值與仿真值的誤差，對(duì)優(yōu)化的精度進(jìn)行驗(yàn)證；并將優(yōu)化前天輪的質(zhì)量及等效應(yīng)力幅值與優(yōu)化后的對(duì)比，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。