基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法技术

基于新颖PSO‑SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，涉及一种滚动轴承优化设计方法，该方法为一种新颖PSO‑SADE融合算法对轮毂轴承进行多目标可靠性优化设计；以滚动轴承最大疲劳寿命、弹性动力润滑膜厚度、摩擦功率损耗作为目标函数，建立相应的非线性动态约束；其次，提出新颖PSO‑SADE融合算法来解决滚动轴承可靠性多目标优化设计问题；最后对滚动轴承的可靠性多目标优化设计进行了仿真研究；结果表明，滚动轴承多目标优化设计后的寿命相对于标准轴承寿命要更长，更能适用于多种变载荷的运行环境。这也为轴承在更多变载荷条件下进行优化设计提供了一定基础和依据。

【技术实现步骤摘要】
基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法
本专利技术涉及一种滚动轴承优化设计方法，特别是涉及一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法。
技术介绍
滚动轴承这一机械元件，现已成为国内外大型工业旋转机械设备的关键性零件之一，同时在航空航天、车辆、家用电器、医疗设备等方面也充当着至关重要的角色。所以滚动轴承的优化设计无论是在寿命方面还是可靠性方面都应该去实现其最大化的目的。滚动轴承的内部几何结构较为复杂，同时其内部结构几何参数对于轴承本身的寿命、润滑度、可靠度、摩擦等特性有重要的影响，最终使轴承能够正常、稳定、持续运行，实现长寿命的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，本专利技术方法采用粒子群算法和自适应差分算法进行融合的方法来实现滚动轴承的可靠性多目标优化设计。首先通过粒子群优化算法对滚动轴承进行可靠性多目标优化设计，然后利用SADE对PSO经过迭代后产生的精英集进一步利用使进入下一个种群迭代，并达到最终的目的。通过此次的算法融合，滚动轴承优化设计后的效果非常显著，在针对解决汽车轮毂轴承承受外部载荷能力差的问题上提供了方法依据。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：首先明确滚动轴承的基本构造、工作环境，以及实际影响轴承疲劳寿命的设计参数和新颖PSO-SADE算法参数；步骤二：现建立三种深沟球轴承优化设计模型（目标函数）包括：2.1基本额定动载荷；2.2弹性动力润滑最小膜厚度；2.3摩擦功率损耗；2.4约束条件步骤三：应用提出的新颖PSO-SADE融合算法对深沟球轴承进行优化3.1融合算法（PSO-SADE）思想:首先初始数据集时，利用其中的PSO算法做一个整体迭代寻优；将最优个体汇聚成一个数据集，然后利用该数据集和SADE结合，求出最优解；3.23.2算法步骤如下：（1）首先初始化种群，以及各个参数；（2）将其内部分成两个不同的群体，所以为了避免在一个区域内引起种群之间的相互交流，现将粒子群算法位置更新步骤中包含的社会学习部分去除，即c2学习因子去掉，保留c1；（3）先计算PSO适应度值，然后将迭代完之后的所有最优个体组成一个最优集；（4）利用该集合和自适应差分算法的变异、交叉、选择进行集中操作；（5）最后将每一次迭代完之后的最优个体汇聚成一个数据集，求出最优解。所述的一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，所述设计参数，确定一系列轴承几何、约束参数：是节圆直径；是球直径，是球的数量，是内滚道槽的曲率半径系数，是外滚道槽的曲率半径系数；分别是滚动体的最小、最大可能直径，它们各自决定着的下界和上界；是轴承内、外环厚度因子；是轴承运动约束参数；是滚动体有效长度的参数；以上皆为设计变量，由表示：现确定深沟球轴承的工况条件，即径向力，轴向力，轴承实际转速参数。所述的一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，所述PSO-SADE算法的关键参数，即种群总个体数N、惯行权重w、学习因子c1、总迭代次数Gmax、变异概率F、交叉概率Cr；一般情况下，学习因子取1.0；处理多个设计变量问题，种群个体总数取100~200；交叉概率Cr=0.8；变异概率F在此算法中以指数形式逐步递减，初始设为0.5；最大迭代次数Gmax为500；以上参数设置为后续的滚动轴承可靠性多目标优化设计提供数据基础。所述的一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，所述基本额定动载荷：首先以滚动轴承基本额定动载荷为目标；基本额定动载荷是最能直接决定轴承寿命大小的量，即额定动载荷越大，轴承承受外部载荷的能力就越强，其寿命也就越长；轴承寿命由等式：定义，是可靠度为90%的寿命，也称为基本额定寿命，（r/min）为轴承转速；轴承当量动载荷，是基本额定动载荷；为球轴承的载荷-寿命指数；在等式（20）中，和分别为径向载荷系数、轴向载荷系数，Fa为轴向载荷，Fr为径向载荷；为使优化设计后的轴承可靠度能够达到最好，最终的目的就是使基本额定动载荷最大化，由等式（3）可得——轴承动载荷系数，有——深沟球轴承的接触角，为0°；上述（3）式中基本额定载荷相对于滚动体直径的大小，有适用范围。所述的一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，所述的存在能够尽量避免轴承实际运行过程中滚道和滚动体接触的面积（点接触），并通过使用优化方法计算找到最大的，这可以在很大程度上延长轴承的摩损寿命；因此最小膜厚度方程为：作用在滚动体上最大载荷Q为：其中为接触点处x方向上的曲率半径，为接触点处y方向上的曲率半径，压力粘度系数，是等效弹性模量。所述的一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，所述约束条件包括：找出由轴承摩擦引起的功率损耗；设定一系列非线性约束不等式，找到最合适的轴承数据；得出相应的约束条件。本专利技术的优点与效果是：1.本专利技术提出一种新颖PSO-SADE融合优化算法并应用于6204深沟球轴承优化设计中，在满足给定的非线性约束条件下，利用其遍历性和非线性，对滚动轴承可靠性优化设计进行研究，提高了算法解决高维度问题的能力，最大限度地提高了滚动轴承的疲劳寿命。2.本专利技术采用PSO和SADE两种算法进行结合，一是能够快速迭代寻优，二是计算的结果多样性要比普通的多目标优化算法产生的效果要好。并为后续的领域研究提供了一定依据和基础。3.本专利技术算法相对于其他算法的不同点在于：首先初始数据集时，利用其中的PSO算法做一个整体迭代寻优，相当于为下一代的进化操作引入了一个精英集。此集合的产生为SADE算法产生的种群提供了更多的选择，同时在一定程度上减少了运算复杂度。附图说明图1深沟球轴承的二维几何平面图；图2深沟球轴承的几何剖视图；图3三种算法与标准值的对比曲线；图4可靠度对比曲线；图5算法步骤如下述流程图。具体实施方式下面结合附图所示实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术为一种新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法。滚动轴承的优化设计变量：在这些参数中，是节圆直径，是球直径，是球的数量，是内滚道槽的曲率半径系数，是外滚道槽的曲率半径系数。分别是滚动体的最大、最小可能直径，它们各自决定着的下界和上界。是轴承内、外环厚度因子。是轴承运动约束参数。是滚动体有效长度的参数。其中的每一个设计参数对轴承的疲劳寿命和运行状态都存在一定的影响。如图1和图2分别是对深沟球轴承的几何图形参数做了详细描述。（1）基本额定动载荷：首先以滚动轴承基本额定动载荷为目标。基本额定动载荷是最能直接决定轴承寿命大小的量，即额定动载荷越大，轴承承受外部载荷的能力就越强，其寿命也就越长。轴承寿命由等式：定义，是可靠度为90%的寿命，也称为基本额定寿命，（r/min）为轴承转速。此时为当量动载荷，是基本额定动载荷。为球轴承的载荷-寿命指数。在等式（20）中，和分别为径向载荷系数、轴向载荷系数，a为轴向载荷，Fr为径向载荷。为使优化设计后的轴承可靠度能够达到最好，最终的目的就是使基本额定动载荷最大化，由等式（3）可得——轴承本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于新颖PSO‑SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：首先明确滚动轴承的基本构造、工作环境，以及实际影响轴承疲劳寿命的设计参数和新颖PSO‑SADE算法参数； 根据实际需要选取新颖PSO‑SADE算法的关键参数；步骤二：现建立三种深沟球轴承优化设计模型（目标函数）包括： 2.1基本额定动载荷

【技术特征摘要】
1.一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：首先明确滚动轴承的基本构造、工作环境，以及实际影响轴承疲劳寿命的设计参数和新颖PSO-SADE算法参数；根据实际需要选取新颖PSO-SADE算法的关键参数；步骤二：现建立三种深沟球轴承优化设计模型（目标函数）包括：2.1基本额定动载荷；2.2弹性动力润滑最小膜厚度；2.3摩擦功率损耗；2.4约束条件步骤三：应用提出的新颖PSO-SADE融合算法对深沟球轴承进行优化3.1融合算法（PSO-SADE）思想:首先初始数据集时，利用其中的PSO算法做一个整体迭代寻优；将最优个体汇聚成一个数据集，然后利用该数据集和SADE结合，求出最优解；算法步骤如下：首先初始化种群，以及各个参数；（2）将其内部分成两个不同的群体，所以为了避免在一个区域内引起种群之间的相互交流，现将粒子群算法位置更新步骤中包含的社会学习部分去除，即c2学习因子去掉，保留c1；（3）先计算PSO适应度值，然后将迭代完之后的所有最优个体组成一个最优集；（4）利用该集合和自适应差分算法的变异、交叉、选择进行集中操作；（5）最后将每一次迭代完之后的最优个体汇聚成一个数据集，求出最优解。2.根据权利要求1所述的一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，其特征在于，所述设计参数，确定一系列轴承几何、约束参数：是节圆直径，是球直径，是球的数量，是内滚道槽的曲率半径系数，是外滚道槽的曲率半径系数；分别是滚动体的最大、最小可能直径，它们各自决定着的下界和上界；是轴承内、外环厚度因子；是轴承运动约束参数；是滚动体有效长度的参数；以上皆为设计变量，由表示：现确定深沟球轴承的工况条件，即径向力，轴向力，轴承实际转速参数。3.根据权利要求1所述的一种基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法，其特征在于，所述PSO-SADE算法的关键参数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张义民，高淑芝，徐林涛，
申请(专利权)人：沈阳化工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21