RV减速器主轴承多目标优化中设计变量范围的确定方法技术

一种RV减速器主轴承多目标优化中设计变量范围的确定方法，先确定主轴承的原始设计参数、工况、约束条件以及初始设计变量及；建立拟静力学模型并输出角刚度、摩擦力矩、疲劳寿命的目标函数，运用MOTLBO进行优化，对优化结果的球径球数进行组合得到所有的球径球数组合；然后进行最大最小归一化处理并计算处理后的解集与原始设计的欧氏距离，选择欧式距离最小的前20％个体，分析各组合在这20％个体中的占比，选择其中占比最大的组合运用MOTLBO进行多目标优化，直到优化结果中的设计变量的变动范围满足终止条件为止，输出最终确定的设计变量及变动范围。本发明专利技术获得RV减速器主轴承特定的球径球数组合的设计变量及其合理的变动范围，提高了优化设计的效率。

【技术实现步骤摘要】
RV减速器主轴承多目标优化中设计变量范围的确定方法
本专利技术属于RV减速器主轴承优化设计
，尤其涉及一种RV减速器主轴承多目标优化中设计变量范围的确定方法。
技术介绍
RV减速器作为工业机器人手臂上的精密控制部件，其特性直接影响工业机器人的力学特性，而RV减速器主轴承做为RV减速器的主要承载元件，对其运转平稳性、定位以及回转精度、工作可靠性有着重要的影响，而我国目前在这方面的理论研究尚属空白，缺乏设计指导，成品多为仿制，急需相关的优化设计指导；同时，对于缺乏设计经验的RV减速器主轴承来说，如何在优化设计的过程中选择合适的设计变量，是其关键所在。进化类算法作为一种不依赖优化模型内部信息的优化方法，擅长解决RV减速器主轴承这类无经验并具有复杂模型的多目标优化问题。而优化所需的设计变量的数目以及变动范围则对进化算法的优化效果有着直接的影响。国内外针对轴承多目标优化做过许多尝试。其中Gupta等在《MechanismandMachineTheory》上发表的文章《Multi-objectivedesignoptimisationofrollingbearingsusinggeneticalgorithms》采用著名的进化算法NSGA-II对滚动轴承进行了多目标优化，并分析了其目标函数对优化变量的敏感度，取得了良好的效果。Gupta不但选择了公称直径、球径、球数和内外沟曲率系数作为优化的设计变量，还将一些轴承设计时的约束条件如最大最小球径约束系数、外圈沟底壁厚约束系数、轴承旋转灵活性约束系数以及基于轴承宽度的球径限制系数作为设计变量，这样能够保证优化结果自适应，符合现代轴承设计要求。Savsani等于《InternationalJournalofEnergyOptimizationandEngineering》上发表的文章《Multi-ObjectiveDesignOptimizationofRollingElementBearingsUsingABC,AIAandPSOTechnique》采用ABC、AIA和PSO等进化算法分别对滚动轴承进行了多目标优化，并选取了与Gupta相同的设计变量进行了优化设计。国内研究中，林棻等于《南京航空航天大学学报》上发表的《基于非劣排序遗传算法的三代轮毂轴承多目标优化》选取了公称直径、球径、球数和内外沟曲率系数作为轿车轮毂轴承的优化设计变量。上述研究结果对比显示，不同的设计变量以及其变量范围的选择对最终的优化结果影响非常大。而轴承优化设计的设计变量既有离散变量，也有连续变量，这就会导致有些设计变量在设计过程中趋于固定值，或者在一个固定的范围内变化。同时，不同的离散变量与连续变量组合均有其独特的局部最优前沿，而这些局部最优前沿特性很难进行定性研究。而且这些设计变量将会消耗算法额外的计算时间，并降低优化结果的精确度。同时，进化类算法优化时需要额外的算法控制参数，其选取也会影响优化结果。R.V.Rao等于《Computer-AidedDesign》上的文章《Teaching–learning-basedoptimization:Anovelmethodforconstrainedmechanicaldesignoptimizationproblems》上提出了一种只需基本控制参数的parameter-less类进化算法TLBO，可以很好的解决这个问题。此外，在已公开的专利和已发表的相关文献中，尚无基于拟静力学模型的RV减速器主轴承的多目标优化设计变量的确定方法，也无相关的方法分析。对于无经验的RV减速器主轴承，如何确定合理的设计变量及其变化范围，并以此来提高多目标优化算法效率，获得满意的优化结果，显得十分必要。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种RV减速器主轴承多目标优化中设计变量范围的确定方法，能够提高多目标优化算法的搜索效率，提高优化结果的可靠性。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种RV减速器主轴承多目标优化中设计变量范围的确定方法，包括以下步骤：步骤1，进行RV减速器主轴承设计变量的组合分布分析，并寻找最接近原始设计参数目标的组合，具体为：步骤1.1，确定主轴承的原始设计参数，原始设计参数包括优化前的RV减速器主轴承的球数、球径、公称直径和内外沟曲率系数，分析主轴承的外部受载情况，确定主轴承工况，建立主轴承的拟静力学模型，初步确定要优化的设计变量，即球径D、球数Z、公称直径dm以及内外沟曲率系数fi以及fo，给定主轴承要优化的结构参数的上限及下限V为设计变量的个数，其中，为第v个设计变量的上限值，为第v个设计变量的下限值；该上下限值的确定需要参考轴承结构参数的设计约束条件，其约束条件具体如下：周向间隙约束：外圈沟底壁厚约束：0.5(do-dm-D)-εD≥0钢球约束：节圆直径约束：0.5(do+di)≤dm≤(0.5+e)(do+di)沟曲率系数约束：0.505≤fi≤0.56，0.505≤fo≤0.56其中do与di为轴承的外径和内径，u为周向间隙系数，取值为E为材料系数，取值范围为1.5-2.0；KD为球径约束条件系数，取值范围为0.3-0.32；ε为沟底壁厚系数，取值范围为0.25-0.4；e为直径约束系数，取值范围为0.05-0.08；步骤1.2，根据步骤1.1得到的主轴承约束条件、工况和拟静力学模型，针对设计变量，运用parameter-less类进化算法MOTLBO对RV减速器主轴承的拟静力学模型输出的刚度、摩擦力矩和疲劳寿命进行多目标优化，并得到优化解集P；步骤1.3，对得到的优化解集P中的离散值设计变量进行组合分布分析，对于RV减速器主轴承来说，其球径、球数为标准化的离散变量值，将优化解集P中拥有相同球径和球数的个体被归入同一组合Ri，其中i∈{1,2,...r}表示第i组合，并最终得到集合中的所有可能的球径球数的组合R＝{R1,R2,...Rr}，其中r为集合R的势；步骤2，将设计变量进行对球径球数的组合分布分析后，选取需要定性研究的球径球数组合，具体为：步骤2.1，首先对优化解集P中的所有个体的三个目标函数进行最大最小归一化处理，三个目标函数为刚度、摩擦力矩和疲劳寿命，其归一化公式为：其中,代表个体j第m个目标函数的归一化值，为个体j第m个目标函数的值，为集合P中第m个目标函数的最大最小值；步骤2.2，计算步骤2.1得到的归一化处理后的解集与原始设计参数在三个目标函数上的欧氏距离，其计算公式为：其中，Doj代表原始设计个体o和当前个体j的欧氏距离，M表示目标函数的个数，表示原始设计个体o的第m个目标函数的归一化值；步骤2.3，输入步骤2.2得到的所有个体与原始设计参数的欧氏距离，排序选取欧式距离最接近原始设计参数的前20％的个体组成集合Q，即Doj最小的前20％的个体，通过集合Q来反应原始设计的设计倾向；同时，计算集合Q中不同个体的球径球数组合R在这20％的个体中的所占比例，其中，Ii为集合Ri在集合Q中个体的数目，ui为集合Ri在集合Q中的占比，得出各集合在集合Q中的占比后，找到在集合Q中数目占比最大的集合Rmax，将该组合的球径球数视为常数，对占比最大的球径球数组合Rmax进行定性研究，将离散变量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种RV减速器主轴承多目标优化中设计变量范围的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，进行RV减速器主轴承设计变量的组合分布分析，并寻找最接近原始设计参数目标的组合，具体为：步骤1.1，确定主轴承的原始设计参数，原始设计参数包括优化前的RV减速器主轴承的球数、球径、公称直径和内外沟曲率系数，分析主轴承的外部受载情况，确定主轴承工况，建立主轴承的拟静力学模型，初步确定要优化的设计变量，即球径D、球数Z、公称直径d

【技术特征摘要】
1.一种RV减速器主轴承多目标优化中设计变量范围的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，进行RV减速器主轴承设计变量的组合分布分析，并寻找最接近原始设计参数目标的组合，具体为：步骤1.1，确定主轴承的原始设计参数，原始设计参数包括优化前的RV减速器主轴承的球数、球径、公称直径和内外沟曲率系数，分析主轴承的外部受载情况，确定主轴承工况，建立主轴承的拟静力学模型，初步确定要优化的设计变量，即球径D、球数Z、公称直径dm以及内外沟曲率系数fi以及fo，给定主轴承要优化的结构参数的上限及下限(v＝{1,2,...V}，V为设计变量的个数，其中，为第v个设计变量的上限值，为第v个设计变量的下限值；该上下限值的确定需要参考轴承结构参数的设计约束条件，其约束条件具体如下：周向间隙约束：外圈沟底壁厚约束：0.5(do-dm-D)-εD≥0钢球约束：节圆直径约束：0.5(do+di)≤dm≤(0.5+e)(do+di)沟曲率系数约束：0.505≤fi≤0.56，0.505≤fo≤0.56其中do与di为轴承的外径和内径，u为周向间隙系数，取值为E为材料系数，取值范围为1.5-2.0；KD为球径约束条件系数，取值范围为0.3-0.32；ε为沟底壁厚系数，取值范围为0.25-0.4；e为直径约束系数，取值范围为0.05-0.08；步骤1.2，根据步骤1.1得到的主轴承约束条件、工况和拟静力学模型，针对设计变量，运用parameter-less类进化算法MOTLBO对RV减速器主轴承的拟静力学模型输出的刚度、摩擦力矩和疲劳寿命进行多目标优化，并得到优化解集P；步骤1.3，对得到的优化解集P中的离散值设计变量进行组合分布分析，对于RV减速器主轴承来说，其球径、球数为标准化的离散变量值，将优化解集P中拥有相同球径和球数的个体被归入同一组合Ri，其中i∈{1,2,...r}表示第i组合，并最终得到集合中的所有可能的球径球数的组合R＝{R1,R2,...Rr}，其中r为集合R的势；步骤2，将设计变量进行对球径球数的组合分布分析后，选取需要定性研究的球径球数组合，具体为：步骤2.1，首先对优化解集P中的所有个体的三个目标函数进行最大最小归一化处理，三个目标函数为刚度、摩擦力矩和疲劳寿命，其归一化公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张进华，洪军，李小虎，于东，朱永生，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61