基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法，包括步骤S1：建立膜片弹簧优化数学模型，所述膜片弹簧优化数学模型包括目标函数、设计变量和约束条件；S2：使用考虑拥挤距离的分级动态惩罚函数的粒子群算法对膜片弹簧进行优化；本发明专利技术解决了采用传统方法优化设计膜片弹簧存在的惯性权重容易早熟导致陷入局部极值和非线性约束条件的处理困难的问题，提高粒子群算法全局搜索能力和对非线性约束的求解能力，提高了膜片弹簧的优化效果和优化效果，具有较好的压稳性和操纵轻便性。

【技术实现步骤摘要】
基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法
本专利技术涉及离合器膜片弹簧优化设计方法，具体涉及一种基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法。
技术介绍
在道路拥堵的城市工况，机械变速器需要进行连续的档位切换，所以离合器需要频繁的结合与分离。机械式离合器使用过程中存在分离不彻底挂档困难、起步抖动、离合器打滑等问题，造成以上的故障，通常是由于该装置的运行压力、踏板深度等诸多指标的设计不够完善，而膜片弹簧则是其中的核心组件，因此对其进行优化设计具有重要工程实际意义。离合器膜片弹簧优化实际上是一个多目标优化问题。传统的离合器膜片弹簧优化采用两种方法对膜片弹簧进行优化设计：方法一，将多目标转化为单目标，采用罚函数和GA算法进行优化设计，这种方法的缺点是目标函数需要根据决策者决定加权系数，在很大程度上收到了决策者的主观影响。另外一种方法是采用NSGA-II和粒子群算法对多目标优化，但是基本粒子群算法是处理无约束优化的问题，而工程实际中很多优化问题是非线性约束的，而离合器膜片弹簧优化设计就是非线性优化问题，这种方法不适用于离合器膜片弹簧优化设计。因此，需要提出一种新的离合器膜片弹簧优化设计方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法，解决了采用传统方法优化设计膜片弹簧存在的惯性权重容易早熟导致陷入局部极值和非线性约束条件的处理困难的问题，提高粒子群算法全局搜索能力和对非线性约束的求解能力，提高了膜片弹簧的优化效果和优化效果，具有较好的压稳性和操纵轻便性。本专利技术提供一种基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法，包括步骤S1：建立膜片弹簧优化数学模型，所述膜片弹簧优化数学模型包括目标函数、设计变量和约束条件；S2：使用考虑拥挤度的分级动态惩罚函数的粒子群算法对膜片弹簧进行优化，具体地：S2.1：初始化粒子群和种群中所有粒子的速度和位置；S2.2：建立分级惩罚函数模型，根据分级惩罚函数对粒子种群进行评价，更新目标函数的非劣解集；S2.3：更新粒子的局部优化指导；S2.4：更新粒子的全局优化指导；S2.5：对粒子进行拥挤度和快速非支配排序的确定，将非劣解集中粒子依次进行两两拥挤度的优劣比较，淘汰并删除拥挤度为劣的粒子，得到更新后的非劣解集；S2.6：对粒子的速度和位置进行迭代；S2.7：判断新种群中的粒子是否满足约束条件，不满足约束条件的粒子取上一次迭代位置；S2.8：重复步骤S2.2至S2.7，直到满足停止迭代的条件。进一步，所述步骤S1包括步骤：S1.1：确定目标函数：本方法以减小摩擦片磨损前后弹簧压紧力的变化范围和减小离合器分离时的分离力为优化目标，本方法包括两个目标函数，以摩擦片磨损前后弹簧压紧力的变化范围最小为第一目标函数，第一目标函数为F1＝min|Fa-Fb|(1)以离合器分离时的分离力最小为第二目标函数，第二目标函数为其中，a点为膜片弹簧离合器摩擦片磨损前的工作点，b点为膜片弹簧离合器摩擦片磨损后的工作点；Fa表示a点的膜片弹簧压紧力，Fa的计算公式为Fb表示b点的膜片弹簧压紧力，Fb的计算公式为E表示材料弹性模量，h表示膜片弹簧外半径，λb表示优化后的离合器b点大端加载时所对应变形量，R表示膜片弹簧外半径，r表示碟簧部分内半径，μ表示泊松比，R1表示膜片弹簧大端的支撑半径R1，r1表示内支撑半径，rf表示小端加载半径，H表示內锥高度，λa表示优化后的离合器a点大端加载时所对应变形量，h表示膜片弹簧板厚度；S1.2：确定设计变量；S1.3：确定约束条件。进一步，所述步骤S1.2包括：选取膜片弹簧中的內锥高度尺寸H、碟簧板厚度h、膜片弹簧外半径R、碟簧部分内半径r、膜片弹簧大端的支撑半径R1、内支撑半径r1以及离合器a点大端加载时所对应变形量λa这7个参数为本方法的设计变量，设计变量的表达式如下：X＝[x1,x2,x3，x4,x5,x6,x7]T＝[H,h,R,r,R1,r1,λa]T(5)进一步，所述步骤S1.3中约束条件包括：膜片弹簧结构的约束条件、膜片弹簧传动性能的约束条件、和膜片弹簧强度的约束条件；S1.3.1：膜片弹簧结构的约束条件包括：1≤g5(x)≤7，g5(x)＝R-R1(10)0≤g6(x)≤6，g6(x)＝r-r1(11)其中，D为摩擦片的外半径，d表示摩擦片的内半径。S1.3.2：膜片弹簧传动性能的约束条件包括：g10(x)≤0，g10(x)＝Fmax-Fa(13)其中，Fa表示a点的膜片弹簧压紧力，Fmax表示发动机最大转矩所要求的压紧力；S1.3.3：膜片弹簧强度的约束条件包括：σ≤[σ](14)其中，σ表示膜片弹簧危险位置的当量应力，[σ]表示膜片弹簧危险位置的许用最大当量应力。进一步，所述步骤S2.2中的建立分级惩罚函数模型包括采用分级惩罚函数对粒子群算法的进行约束优化，惩罚函数的因子和级数随约束函数值的取值范围而动态修正，具体如下：所述分级惩罚函数模型为其中，f(x)是约束优化问题的初始目标函数，h(k)惩罚函数的因子，k是粒子群算法的迭代次数，H(x)是多级分配惩罚函数；Rn表示n阶实数集，x表示第x个粒子；所述多级分配惩罚函数H(x)的计算公式为其中，qi(x)是相应的违反约束函数；qi(x)＝max{0,gi(x)},i＝1,...,m；m是约束条件的个数；gi(x)是约束函数；θ(qi(x))是多级分配函数；γ(qi(x))是惩罚函数的级数。其中，qi(x)、θ(qi(x))和γ(qi(x))依赖于约束优化问题，惩罚规则如下：如果qi(x)<1，则级数γ(qi(x))＝1；如果qi(x)≥1，则级数γ(qi(x))＝2；如果qi(x)<0.001，则θ(qi(x))＝10；如果0.001<qi(x)<0.1，则θ(qi(x))＝20；如果0.1<qi(x)<1，则θ(qi(x))＝100；(6)如果qi(x)≥1，θ(qi(x))＝300；其中h(k)取进一步，所述步骤S2.5中拥挤度的确定包括步骤：S2.5.1：设定nd＝0,n＝1,2,3,...,N，其中，nd表示拥挤度S2.5.2：分别对两个目标函数进行如下处理：a.基于该目标函数对种群进行排序；b.令边界的两个个体为无穷，即令ld＝Nd＝无穷；其中，ld表示第一个粒子；Nd最后一个粒子的拥挤度；c.计算拥挤度，所述拥挤度的计算公式为ndn＝min(nd1n,nd2n),n＝2,3,4......，N-1(17)其中，ndn表示步骤2.2得到的非劣解集中第n个粒子的拥挤度；nd1n表示步骤2.2得到的非劣解集中第n个粒子的第一目标函数的的拥挤度；nd2n表示步骤2.2得到的非劣解集中第n个粒子的第二目标函数的的拥挤度，N表示步骤2.2得到的非劣解集中粒子的总个数；S2.5.3：设定拥挤度比较算子为≥n，依据拥挤度比较依据对个体β和个体τ进行优劣比较；所述拥挤度比较依据为：当且仅当βrank＜τrank或βrank＝τrank且βd＞τd，则β≥nτ，即个体β优于τ；其中，βrank表示粒子β的适应度，τrank表示另外一个粒子τ的适应度，βd表示βran本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法，其特征在于：包括步骤S1：建立膜片弹簧优化数学模型，所述膜片弹簧优化数学模型包括目标函数、设计变量和约束条件；S2：使用考虑拥挤度的分级动态惩罚函数的粒子群算法对膜片弹簧进行优化，具体地：S2.1：初始化粒子群和种群中所有粒子的速度和位置；S2.2：建立分级惩罚函数模型，根据分级惩罚函数对粒子种群进行评价，更新目标函数的非劣解集；S2.3：更新粒子的局部优化指导；S2.4：更新粒子的全局优化指导；S2.5：对粒子进行拥挤度和快速非支配排序的确定，将非劣解集中粒子依次进行两两拥挤度的优劣比较，淘汰并删除拥挤度为劣的粒子，得到更新后的非劣解集；S2.6：对粒子的速度和位置进行迭代；S2.7：判断新种群中的粒子是否满足约束条件，不满足约束条件的粒子取上一次迭代位置；S2.8：重复步骤S2.2至S2.7，直到满足停止迭代的条件。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法，其特征在于：包括步骤S1：建立膜片弹簧优化数学模型，所述膜片弹簧优化数学模型包括目标函数、设计变量和约束条件；S2：使用考虑拥挤度的分级动态惩罚函数的粒子群算法对膜片弹簧进行优化，具体地：S2.1：初始化粒子群和种群中所有粒子的速度和位置；S2.2：建立分级惩罚函数模型，根据分级惩罚函数对粒子种群进行评价，更新目标函数的非劣解集；S2.3：更新粒子的局部优化指导；S2.4：更新粒子的全局优化指导；S2.5：对粒子进行拥挤度和快速非支配排序的确定，将非劣解集中粒子依次进行两两拥挤度的优劣比较，淘汰并删除拥挤度为劣的粒子，得到更新后的非劣解集；S2.6：对粒子的速度和位置进行迭代；S2.7：判断新种群中的粒子是否满足约束条件，不满足约束条件的粒子取上一次迭代位置；S2.8：重复步骤S2.2至S2.7，直到满足停止迭代的条件。2.根据权利要求1所述基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法，其特征在于：所述步骤S1包括步骤：S1.1：确定目标函数：本方法以减小摩擦片磨损前后弹簧压紧力的变化范围和减小离合器分离时的分离力为优化目标，本方法包括两个目标函数，以摩擦片磨损前后弹簧压紧力的变化范围最小为第一目标函数，第一目标函数为F1＝min|Fa-Fb|(1)以离合器分离时的分离力最小为第二目标函数，第二目标函数为其中，a点为膜片弹簧离合器摩擦片磨损前的工作点，b点为膜片弹簧离合器摩擦片磨损后的工作点；Fa表示a点的膜片弹簧压紧力，Fa的计算公式为Fb表示b点的膜片弹簧压紧力，Fb的计算公式为E表示材料弹性模量，h表示膜片弹簧外半径，λb表示优化后的离合器b点大端加载时所对应变形量，R表示膜片弹簧外半径，r表示碟簧部分内半径，μ表示泊松比，R1表示膜片弹簧大端的支撑半径R1，r1表示内支撑半径，rf表示小端加载半径，H表示內锥高度，λa表示优化后的离合器a点大端加载时所对应变形量，h表示膜片弹簧板厚度；S1.2：确定设计变量；S1.3：确定约束条件。3.根据权利要求2所述基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法，其特征在于：所述步骤S1.2包括：选取膜片弹簧中的內锥高度尺寸H、碟簧板厚度h、膜片弹簧外半径R、碟簧部分内半径r、膜片弹簧大端的支撑半径R1、内支撑半径r1以及离合器a点大端加载时所对应变形量λa这7个参数为本方法的设计变量，设计变量的表达式如下：X＝[x1,x2,x3，x4,x5,x6,x7]T＝[H,h,R,r,R1,r1,λa]T(5)。4.根据权利要求3所述基于改进粒子群算法的离合器膜片弹簧优化设计方法，其特征在于：所述步骤S1.3中约束条件包括：膜片弹簧结构的约束条件、膜片弹簧传动性能的约束条件、和膜片弹簧强度的约束条件；S1.3.1：膜片弹簧结构的约束条件包括：1≤g5(x)≤7，g5(x)＝R-R1(10)0≤g6(x)≤6，g6(x)＝r-r1(11)其中，D为摩擦片的外半径，d表示摩擦片的内半径。S1.3.2：膜片弹簧传动性能的约束条件包括：g10(x)≤0，g10(x)＝Fmax-Fa(13)其中，Fa表示a点的膜片弹簧压紧力，Fmax表示发动机最大转矩所要求的压紧力；S1.3.3：膜片弹簧强度的约束条件包括：σ≤[σ](14)其中，σ表示膜片弹簧危险位置的当量应力，[σ]表示膜片弹簧危险位置的许用最大当量应...

【专利技术属性】
技术研发人员：周军超，廖映华，汤爱华，来升，郭翠霞，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51