基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法，该无摩擦气缸结构优化方法包括：根据预设假设条件基于非定常雷诺方程分别计算气缸泄漏量及活塞径向承载力并得到计算结果；根据所述计算结果基于粒子群算法构建对所述气缸泄漏量及所述活塞径向承载力为优化目标的优化模型；根据所述优化模型基于粒子群迭代算法确定各气缸参数的优化取值，并基于所述优化取值对无摩擦气缸结构进行优化。本发明专利技术利用粒子群优化算法对无摩擦气缸结构参数进行优化，得到一组最优结构参数，该最优结构参数对静压气浮式无摩擦气缸结构设计起到有效的指导作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于静压气浮无摩擦气缸的精度研究领域，更具体的，涉及一种基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法与装置。
技术介绍
为保证太空站、飞行器等系统的高可靠性及精度，在轨飞行前必须在地面上利用零重力系统对其各子系统进行动力学试验。目前，零重力系统的实现方式主要为被动或主动控制的悬挂系统两种。气动重力补偿系统作为一种特殊的零重力系统，由于其具有刚度低、行程长等优点，在低频动力学测试中的得到了广泛运用。作为气动重力补偿系统的核心部件之一的气浮无摩擦气缸，对其进行稳定的压力控制时，控制效果受制于泄漏流量大小以及活塞径向承载能力，因此必须对其参数进行优化。气浮无摩擦气缸的设计关键在于统筹兼顾各种相关因素，使其具有最优的性能。然而，目前气浮无摩擦气缸的设计多以经验为主，缺乏一套行之有效的优化设计方案。为解决此类多目标优化问题,常规的处理方法是通过加权将其转化为单目标优化问题，然而，该类方法受制于人为偏好，往往不能保证最优解的求取。因此，现有技术中气浮无摩擦气缸的设计存在缺乏有效优化方案的问题。
技术实现思路
本专利技术公开一种基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法与装置，用于解决现有技术中气浮无摩擦气缸的设计存在缺乏有效优化方案的问题。为实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供一种基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法，并采用如下技术方案：基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法包括：根据预设假设条件基于非定常雷诺方程分别计算气缸泄漏量及活塞径向承载力并得到计算结果；根据所述计算结果基于粒子群算法构建对所述气缸泄漏量及所述活塞径向承载力为优化目标的优化模型；根据所述优化模型基于粒子群迭代算法确定各气缸参数的优化取值，并基于所述优化取值对无摩擦气缸结构进行优化。进一步地，所述预设假设条件为：气缸内空气为满足理想气体定律的理想气体；气缸内的气体无径向、周向流动，呈无惯性一维轴向流动；活塞间隙中气体流动为等温过程；气缸内的气体流动为纯粘性流动，粘性系数为常数；气缸内的气体流动是稳态的，忽略气体的质量及惯性力和力。进一步地，所述根据预设假设条件基于非定常雷诺方程分别计算气缸泄漏量及活塞径向承载力并得到计算结果包括：根据所述预设假设条件基于非定常雷诺方程分析缸套内壁气膜压力分布状况和活塞间气膜压力分布状况；根据所述缸套内壁气膜压力分布状况计算得到气缸泄漏量，根据所述活塞间气膜压力分布状况计算得到活塞径向承载力。进一步地，所述根据所述预设假设条件基于非定常雷诺方程分析缸套内壁气膜压力分布状况和活塞间气膜压力分布状况包括：根据所述预设假设条件和缸内气体运动方程，计算得到缸筒和活塞间隙流动的质量流量方程；根据所述质量流量方程推导得到质量连续性方程，即通过端面间隙的气体质量流量等于每等份间隙流出的总质量流量与流过两个节流孔的质量流量之和；根据节流面积、气体流量系数和节流孔的前后压力值，计算得到单个节流孔的质量流量；将多个节流孔按预设距离分段计算各段节流孔的质量流量，从而得到缸套内壁气膜压力分布状况。进一步地，所述根据缸套内壁气膜压力分布状况计算得到气缸泄漏量，根据活塞间气膜压力分布状况计算得到活塞径向承载力包括：将所有段节流孔的质量流量叠加，得到气缸总泄漏流量；计算活塞间隙内气体的压力分布规律，并基于该压力分布规律和活塞偏心压力投影关系，得到活塞间隙的分布规律；将活塞各等份合力对基准线的投影分量进行叠加，得到活塞径向承载能力。进一步地，所述根据所述计算结果基于粒子群算法构建优化模型包括：以所述气缸泄漏量和所述活塞径向承载力为优化目标值建立所述优化模型，所述优化模型为：其中，ffitness为最大化目标函数，即活塞径向承载力最大及气缸泄漏量最小；ω1取值为1，ω2取值为1000；x为设计变量；xmin和xmax分别为设计变量的上下界。进一步地，所述根据所述优化模型基于粒子群迭代算法确定各气缸参数的优化取值包括：基于粒子群迭代算法根据所述优化模型确定气缸参数的范围；设定初始粒子数量和迭代次数，将初始粒子数量带入上述优化模型进行迭代计算，并分别得到各气缸参数的收敛过程曲线；根据所述收敛过程曲线在所述范围内确定各气缸参数的优化取值。进一步地，在所述设定初始粒子数量和迭代次数中，设定的初始粒子数量30和迭代次数为60，将初始粒子数量30带入上述优化模型进行迭代次数为60次的迭代计算，得到各气缸参数的最终参数收敛值为：活塞与缸筒的间隙h0＝0.043、节流孔的直径d＝0.72、节流孔的数目n＝10、节流孔的位置l/L＝0.25。根据本专利技术的另外一个方面，提供一种基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化装置，并采用如下技术方案：一种基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化装置包括：计算模块，用于根据预设假设条件基于非定常雷诺方程分别计算气缸泄漏量及活塞径向承载力并得到计算结果；构建模块，用于根据所述计算结果基于粒子群算法构建对所述气缸泄漏量及所述活塞径向承载力为优化目标的优化模型；确定模块，用于根据所述优化模型基于粒子群迭代算法确定各气缸参数的优化取值，并基于所述优化取值对无摩擦气缸结构进行优化。进一步地，所述计算模块包括：分析模块，用于根据所述预设假设条件基于非定常雷诺方程分析缸套内壁气膜压力分布状况和活塞间气膜压力分布状况；计算子模块，用于根据所述缸套内壁气膜压力分布状况计算得到气缸泄漏量，根据所述活塞间气膜压力分布状况计算得到活塞径向承载力。本专利技术为优化重力补偿器中关键部件静压气浮式无摩擦气缸的结构，提出在静压气浮式无摩擦气缸结构设计中，存在一组最优结构参数，使得对同一系统径向承载能力最大的同时保证相对较小的泄漏量；通过分析静压气浮式无摩擦气缸结构，推导其数学模型模型；改变其结构参数，得到单个参数对径向承载能力及泄漏量的关系；利用粒子群优化算法对其结构参数进行优化，得到一组最优结构参数；该分析方法与结果对静压气浮式无摩擦气缸结构设计起到有效的指导作用。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1表示本专利技术实施例所述的基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法的流程图；图2表示本专利技术实施例所述的活塞沿周向展开示意图；图3表示本专利技术实施例所述的活塞间隙气体流动模型示意图；图4表示本专利技术实施例所述的活塞偏心力投影示意图；图5表示本专利技术实施例所述的活塞间隙收敛过程示意图；图6表示本专利技术实施例所述的活塞节流孔直径收敛过程示意图；图7表示本专利技术实施例所述的活塞节流孔数目收敛过程示意图；图8表示本专利技术实施例所述的活塞节流孔位置收敛过程示意图；图9表示本专利技术实施例所述的适应度收敛过程示意图；图10表示本专利技术实施例所述的基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化装置的结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。图1表示本专利技术实施例所述的基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法的流程图。参见图1所示，基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法包括：S101：根据预设假设条件基于非定常雷诺方程分别计算气缸泄漏量及活塞径向承载力并得到计算结果；S103：根据所述计算结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法，其特征在于，包括：根据预设假设条件基于非定常雷诺方程分别计算气缸泄漏量及活塞径向承载力并得到计算结果；根据所述计算结果基于粒子群算法构建对所述气缸泄漏量及所述活塞径向承载力为优化目标的优化模型；根据所述优化模型基于粒子群迭代算法确定各气缸参数的优化取值，并基于所述优化取值对无摩擦气缸结构进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子群优化算法的无摩擦气缸结构优化方法，其特征在于，包括：根据预设假设条件基于非定常雷诺方程分别计算气缸泄漏量及活塞径向承载力并得到计算结果；根据所述计算结果基于粒子群算法构建对所述气缸泄漏量及所述活塞径向承载力为优化目标的优化模型；根据所述优化模型基于粒子群迭代算法确定各气缸参数的优化取值，并基于所述优化取值对无摩擦气缸结构进行优化。2.根据权利要求1所述的无摩擦气缸结构优化方法，其特征在于，所述预设假设条件为：气缸内空气为满足理想气体定律的理想气体；气缸内的气体无径向、周向流动，呈无惯性一维轴向流动；活塞间隙中气体流动为等温过程；气缸内的气体流动为纯粘性流动，粘性系数为常数；气缸内的气体流动是稳态的，忽略气体的质量及惯性力和力。3.根据权利要求1所述的无摩擦气缸结构优化方法，其特征在于，所述根据预设假设条件基于非定常雷诺方程分别计算气缸泄漏量及活塞径向承载力并得到计算结果包括：根据所述预设假设条件基于非定常雷诺方程分析缸套内壁气膜压力分布状况和活塞间气膜压力分布状况；根据所述缸套内壁气膜压力分布状况计算得到气缸泄漏量，根据所述活塞间气膜压力分布状况计算得到活塞径向承载力。4.根据权利要求3所述的无摩擦气缸结构优化方法，其特征在于，所述根据所述预设假设条件基于非定常雷诺方程分析缸套内壁气膜压力分布状况和活塞间气膜压力分布状况包括：根据所述预设假设条件和缸内气体运动方程，计算得到缸筒和活塞间隙流动的质量流量方程；根据所述质量流量方程推导得到质量连续性方程，即通过端面间隙的气体质量流量等于每等份间隙流出的总质量流量与流过两个节流孔的质量流量之和；根据节流面积、气体流量系数和节流孔的前后压力值，计算得到单个节流孔的质量流量；将多个节流孔按预设距离分段计算各段节流孔的质量流量，从而得到缸套内壁气膜压力分布状况。5.根据权利要求4所述的无摩擦气缸结构优化方法，其特征在于，所述根据缸套内壁气膜压力分布状况计算得到气缸泄漏量，根据活塞间气膜压力分布状况计算得到活塞径向承载力包括：将所有段节流孔的质量流量叠加，得到气缸总泄漏流量；计算活塞间隙内气体的压力分布规律，并基于该压力分布规律和活塞偏心压力投影关系，得到活塞间隙的分...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昱，赵国新，王安，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：北京;11