考虑动态特性的高速压力机底座可靠性稳健设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种考虑动态特性的高速压力机底座可靠性稳健设计方法。 技术背景
[0002] 在高速压力机工作过程中，其高频冲裁力经过传递最终都是作用在其底座上，同 时，处于整机最下端的底座还承受着来自其它零部件的重力以及高速运动部件的惯性力作 用，会因激振频率的作用而产生振动。研究表明，若高速压力机底座的固有频率接近工频或 者倍频，将导致底座出现共振。因此，合理设计底座结构，使其前几阶固有频率避开工作载 荷频率，能够防止底座结构的疲劳破坏，提高压力机的可靠性和模具寿命。另一方面，由于 热处理和机械加工的误差，高速压力机实际设计制造中底座的材料属性存在一定的不确定 性，这些不确定性会导致其动态特性产生一定的波动。因此，高速压力机底座动态特性设计 中必须充分考虑这些客观存在的不确定性，才能获得符合可靠性与稳健性要求的底座设计 方案。
[0003] 可靠性稳健优化设计在优化过程中不仅要考虑目标函数的稳健性，同时还需保证 约束函数满足可靠度指标。在可靠性稳健设计中，目标函数的稳健性需求导致了优化过程 为多目标求解，而可靠性约束的存在则要求在求解过程中进行约束性能函数的可靠度分 析，从而较大程度上增加了优化求解的复杂度，提高了优化求解的计算成本，这已成为制约 其广泛应用于大型工程优化设计问题的直接因素。而针对其优化策略的研究，宗旨在于如 何在保证可靠性分析精度的前提下提高整体优化求解效率，从而有效降低计算成本。臧献 国等于2011年在《中国机械工程》中发表的"汽车前轴动态特性的可靠性优化设计"以降 低汽车前轴质量为目标，在基本随机变量概率分布已知的情况下，将可靠性分析与优化技 术相结合，提出一种改善汽车前轴动态特性的可靠性优化设计方法，但臧献国等在对机构 进行动态特性设计优化时，并未考虑其设计目标的稳健性，故其优化结果达不到实际的稳 健性需求。此外，实际工程中，不确定性因素的概率分布通常是未知的。为此，本发明提出 了一种考虑动态特性的高速压力机底座可靠性稳健设计方法，利用基于区间优势度和序位 向量排序的双层嵌套多目标遗传算法进行优化模型求解，获得了同时具有可靠性和稳健性 的最优解。
【发明内容】
[0004] 为解决工程实际中高速压力机底座动态特性的可靠性稳健性设计问题，本发明提 供了一种考虑动态特性的高速压力机底座可靠性稳健设计方法，采用区间变量描述影响底 座动态特性的不确定性因素，建立基于区间变量的压力机底座动态特性可靠性稳健设计模 型，并采用高效率高精度的RBF神经网络代理模型与双层嵌套的多目标遗传算法进行迭代 寻优。该方法能在保证可靠性与稳健性要求的前提下得到符合底座动态特性设计要求的最 优解。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种考虑动态特性的高速压力机底座可靠性 稳健设计方法，包括以下步骤：
[0006] (1)建立高速压力机底座动态特性的可靠性稳健设计模型：选择对高速压力机底 座动态特性影响最大的尺寸作为设计变量，以底座材料的杨氏模量和泊松比为不确定性参 数，根据压力机底座刚度需求确定设计目标，根据稳健性要求将其设计目标区间值的中点 和半径作为目标函数，并将动态特性的可靠性指标作为约束函数，建立高速压力机底座动 态特性的可靠性稳健设计模型：
【主权项】
1. 一种考虑动态特性的高速压力机底座可靠性稳健设计方法，其特征在于，包括以下 步骤： (1) 建立高速压力机底座动态特性的可靠性稳健设计模型：选择对高速压力机底座动 态特性影响最大的尺寸作为设计变量，以底座材料的杨氏模量和泊松比为不确定性参数， 根据压力机底座刚度需求确定设计目标，根据稳健性要求将其设计目标区间值的中点和半 径作为目标函数，并将动态特性的可靠性指标作为约束函数，建立高速压力机底座动态特 性的可靠性稳健设计模型：
U = (E, v) 其中，X为η维设计向量，U为区间不确定参数向量，f(x，U)为目标性能响应值，fe(x)， fw(x)，fK(x)，fix)分别为目标性能区间响应值的中点、半径、上界、下界；gi(x，U)为第i 个需考虑可靠性的性能函数，Bi为其对应的允许变化范围，<分别为&的下界与上界； >孕=[〇;]]为第i个性能函数的实际可靠性，Rsi为其给定的可靠性约束值； (2) 采用拉丁超立方采样法（LHS)对设计变量和不确定参数进行采样，并通过协同仿 真技术获取样本点的响应值：在设计向量和不确定参数向量构成的输入空间内采用以最大 最小距离为优化准则的LHS获取样本点，从而获得具有空间均布性和投影均匀性的试验设 计方案；在三维建模软件中，以设计向量X为独立控制参数，建立高速压力机底座参数化三 维模型，通过数据实时共享的接口技术实现三维建模软件和有限元分析软件之间参数的双 向传递，并在有限元分析软件中设置不确定参数U为二次控制参数；通过协同仿真，调用动 态更新的高速压力机底座的三维模型进行有限元分析计算，获得各样本点所对应的目标函 数与约束函数中性能指标的响应值； (3) 根据包含完整输入-输出信息的样本点数据建立RBF神经网络作为响应面模型，其 输入参数为设计变量和不确定性参数，输出参数为目标函数和约束函数中性能指标的响应 值； (4) 建立基于均布区间相对优势度的可靠性计算准则：根据区间数学理论，区间A = [a\ aK]相对于区间B = [b\ bK]的优势度P(A>B)的计算方法： (a)当 a > b 时，P (A>B) = 1 ;
(f)当 aL彡 a \ b b κ时，P (A>B) = O ; 利用上述区间优势度计算方法计算高速压力机底座各约束性能的区间可靠性指标，得 到各约束的可靠性指标值Rgi [gi (X，U)彡Bi]; (5)采用双层嵌套的遗传算法求解压力机底座动态特性的可靠性稳健设计模型：在双 层嵌套的遗传算法优化过程中，利用内层单目标遗传算法和步骤3中建立的RBF神经网络 模型计算出其所对应的目标和约束函数中底座力学性能指标区间的上下界f K(x)，产(X)， gfb)，g⑷并求出目标力学性能指标区间的中点及半径fe(x)，fw( x);利用步骤4中均布 区间相对优势度的可靠性计算准则得到Rgi [gi (X，U) > Bi];其中，上标R、L、C、W分别表示 区间上界、区间下界、区间中点和区间半径； 在外层遗传优化中，对当前代种群的所有个体，根据可靠性约束值Rgi [gi (X，U) > Bi]， 计算其对应各约束的违反度： 对于约束RJgi (x，U)彡Bi]彡Rsi而言，若Rgi [gi(x，U)彡Bi]彡Rsi，则其约束违反度 Vi(X) =0;若 Rgi[gi(x，U)彡 BiKRsi，贝IJ其约束违反度SVi(X) =Rsi-Rgi[gi(x，U)彡 Bi];在 此基础上，可得设计向量X所对应个体的约束违反度
为约束个 I=I 数；则Vt (X) = 0的解X为可行解，否则X为不可行解； 利用基于区间序位向量的优劣判断准则对外层遗传优化当前代种群中的所有个体进 行优劣排序，确定其序位，从而计算其适应度，区间序位向量的优劣判断准则确定设计向量 乂1与X2优劣关系的方式为： (a) 若X1为可行解，X 2为不可行解，则始终有X i优于X 2; (b) 若Xl%x2均为不可行解，则根据约束违反度来判断其优劣，若Vt(X 1) SVt(X2)，则 X1优于X 2; (C)若&与12均为可行解，首先分别根据目标函数fe(x)和fw(x)的响应值对样本个体 进行排序，获得各可行解针对目标函数产00和fw(x)排序所得优劣等级re(j)和/(」)，（j =1，......，Pop) ;re(j)为第j个样本对应fe(x)的排序结果序号，rw(j)为第j个样本对 应fw(x)的排序结果序号，Pop为外层遗传算法种群中的个体数目；然后，将各可行解关于 两目标函数排序所得的优劣等级组成向量R(j) = (re(j)，rw(j))，以向量R(j)的模表征各 可行解的优劣程度：
最后，根据|R(j) I对所有可行解进行优劣排 序； 若外层优化的进化代数达到给定最大值，则终止外层遗传算法进化过程，输出具有最 大适应度值的个体作为最优个体，将其所对应的设计向量作为最优设计向量，得到符合可 靠性与稳健性要求的高速压力机底座动态特性最优设计方案，否则，生成新一代种群个体， 进化代数加1，继续外层遗传进化过程。
2.根据权利要求1所述的一种考虑动态特性的高速压力机底座可靠性稳健设计方法， 其特征在于：所述步骤1中，采用区间变量描述影响压力机底座动态特性的不确定因素，并 将可靠性和稳健性指标引入到高速压力机底座动态特性优化设计模型中，能够获得使其底 座动态特性具有高可靠性和高稳健性的设计方案。
【专利摘要】本发明公开了一种考虑动态特性的高速压力机底座可靠性稳健设计方法，该方法包括以下步骤：建立高速压力机底座动态特性的可靠性稳健设计模型；采用拉丁超立方采样法对设计变量和不确定参数进行采样，并通过协同仿真技术获取样本点的响应值；依据样本点的输入-输出信息建立预测目标和约束函数中底座力学性能指标值的RBF神经网络模型；利用基于区间约束违反度和均布区间优势度以及区间序位向量的双层嵌套遗传算法进行迭代寻优，求得底座设计方案的最优解。本发明根据高速压力机底座实际设计需求，基于RBF神经网络模型对其进行动态特性可靠性稳健设计，可便捷地获得符合可靠性要求并具有稳健性的高速压力机底座的设计方案。
【IPC分类】G06N3-12, G06F17-50
【公开号】CN104679956
【申请号】CN201510082491
【发明人】程锦, 吴震宇, 刘振宇, 谭建荣
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月14日