基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法技术

本发明专利技术提供了一种基于NSGA‑II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，包括确定优化目标、设计变量和约束条件，建立数学模型；简化八连杆机构模型；设定初始设计变量和初始偏心体转速，对八连杆机构模型进行运动学分析，获得包括滑块行程、滑块速度和滑块加速度的运动学参数；根据运动学参数以及压力机吨位信息，对八连杆机构模型进行动力学分析，获得曲柄扭矩；利用NSGA‑II算法对滑块速度波动和最大曲柄扭矩进行优化，求解多目标优化数学模型，得到设计变量的Pareto最优解集等步骤。通过本发明专利技术得到的设计变量准确率高，优化快，减少了企业的设计及开发时间。

Multi-objective optimization method of eight-bar mechanical press based on NSGA-II algorithm

【技术实现步骤摘要】
基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法
本专利技术涉及机械传动领域，更具体的说，它涉及基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法。
技术介绍
机械压力机是一种典型的多品种、少批量的机械产品，一般以整机为单位进行设计，随着汽车工业的发展和旧冲压设备的更新，目前的产品结构由原来的标准机占比60％，客户定制机40％，逐步发展到客户定制机占比60％～70％，这无疑对于技术的挑战是巨大的。并且机械压力机为订单式生产，每一台压力机都需要按照客户的订单要求重新设计，有时一条生产线需要同时设计3～5台机器，而每一台机器的常规设计一般要经过资料检索、方案构思、计算分析、绘图和编制文件等一系列反复过程，涉及的内容和步骤较多，公式、图表和数据量大，相互制约因素很多，需要消耗大量的人力，因此设计周期长，任务重。然而，有的订单只需要在成熟机型的基础上对设计参数进行微调就可以实现，而模型的常规手工修改不仅容易出错，而且还耗费大量的时间，大大增加了企业的设计及开发周期。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，得到的设计变量准确率高，优化快，减少了企业的设计及开发时间。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，包括以下步骤：(1)确定优化目标、设计变量和约束条件，建立以指定区域内滑块运行速度波动值最小、指定区域内最大曲柄扭矩值最小为目标函数的多目标优化数学模型；(2)建立八连杆机械压力机的八连杆机构三维模型，并获得简化后的八连杆机构模型；(3)设定初始设计变量和初始偏心体转速，对八连杆机构模型进行运动学分析，获得包括滑块行程、滑块速度和滑块加速度的运动学参数；(4)根据运动学参数以及压力机吨位信息，对八连杆机构模型进行动力学分析，获得曲柄扭矩；(5)利用NSGA-II算法对滑块速度波动和最大曲柄扭矩进行优化，求解多目标优化数学模型，得到设计变量的Pareto最优解集。作为优选的方案，步骤(1)中，多目标优化数学模型为其中，minf2(X)＝Tmax，X＝[l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，l8，a，b，α，β]，S，tXmin≤X≤Xmaxgu(X)≤0(u＝1，2，…，)，式中，minf1(X)为指定区域内滑块运行速度波动值最小的目标函数，minf2(X)为指定区域内最大曲柄扭矩值最小的目标函数；Tmax为最大曲柄扭矩；X为设计变量，l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，l8分别为8个杆的杆长，a,b分别为两个铰链的位置，α为上下摇杆l3、l4之间的夹角，β为三角架l6、l7两边的夹角；gu(X)为约束条件。作为优选的方案，步骤(3)中，获得运动学参数的方法包括以下步骤：(3.1)根据简化后的八连杆机构模型，利用矢量封闭法则建立八连杆机构模型的运动学方程组；(3.2)利用New-Raphson算法求解八连杆机构模型的运动学方程组，得到滑块行程求解曲线；对滑块行程求解曲线求一阶导数，获得滑块速度求解曲线；对滑块行程求解曲线求二阶导数，获得滑块加速度求解曲线；(3.3)建立八连杆机构的三维模型，根据八连杆机构三维模型仿真处理得到滑块行程仿真曲线、滑块速度仿真曲线和滑块加速度仿真曲线；(3.4)验证求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出滑块行程、滑块速度和滑块加速度的求解参数；否则返回步骤(3.1)。作为优选的方案，步骤(3.1)中，八连杆机构模型的运动学方程组的表达式如下：其中：l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8分别为各杆长度，单位为m；a,b分别为铰链中心O与铰链中心O1在X轴和Y轴方向上的距离，单位为m；α,β分别是杆l3与l4，l6与l7的夹角，单位为rad；θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6,θ7,θ8分别为对应各杆的角位移，单位为rad，且所有的角度以X轴正向为起点，逆时针旋转到各构件的角度；y为滑块的位移，单位为m。作为优选的方案，步骤(4)中，获得曲柄扭矩的方法包括以下步骤：(4.1)根据简化后的八连杆机构模型，对八连杆机构各杆进行动态静力分析，获得各杆的受力情况；(4.2)根据理论力学和牛顿定律列出八连杆机构的动态静力平衡方程组；(4.3)将运动学参数带入方程组并求解，获得曲柄扭矩求解曲线；(4.4)根据八连杆机构三维模型仿真处理得到曲柄扭矩仿真曲线；(4.5)验证曲柄扭矩的求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出曲柄扭矩求解参数；否则返回步骤(4.1)。作为优选的方案，步骤(4)中，获得曲柄扭矩的方法包括以下步骤：(4.11)根据简化后的八连杆机构模型，对八连杆机构各杆进行受力分析，获得各杆的受力情况；(4.12)综合各杆的受力情况，利用虚功原理列出虚功方程；(4.13)将运动学参数带入虚功方程并求解，获得曲柄扭矩求解曲线；(4.14)建立八连杆机构的三维模型，根据八连杆机构三维模型仿真处理得到曲柄扭矩仿真曲线；(4.15)验证曲柄扭矩的求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出曲柄扭矩求解参数；否则返回步骤(4.11)。作为优选的方案，步骤(4.4)中，采用Solidworks软件建立八连杆机构的三维模型，利用软件Adams对八连杆机构三维模型进行仿真处理。作为优选的方案，步骤(4.14)中，采用Solidworks软件建立八连杆机构三维模型，利用软件Adams对八连杆机构三维模型进行仿真处理。本专利技术的优点在于：1、通过提供基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，得到设计变量的最优解集，只需要在成熟压力机机型的基础上对设计变量进行微调，即可满足压力机的重新设计。2、通过优化得到的杆系参数准确率高，优化过程花费时间少，大大减少了企业的设计及开发周期。3、在运动学和动力学分析过程中，采用Adams模拟仿真法进行印证，保证运动学和动力学分析的准确性。4、在动力学分析过程中，采用动态静力分析方法对机构中的各杆进行分析，利用达朗贝尔原理列方程，合并矩阵，进行求解，得到机构的所有的支反力，并通过所得到的支反力和运动学参数求出曲柄驱动扭矩，求解的T误差更小，准确性更高。5、利用虚功原理直接求解曲柄驱动扭矩，无需通过求解支反力这个中间环节，可直接用虚功原理求解曲柄驱动扭矩T，可大大减小运算量，提高计算效率。附图说明图1为八连杆机构的结构示意图。图2为八连杆机构运动分析简图。图3为滑块行程、速度、加速度曲线图。图4为Adams中仿真得到滑块行程、速度、加速度的仿真曲线图。图5为两种方法下曲柄扭矩T的求解曲线图。图6为滑块F受力图。图7为主拉杆l8受力图。图8为三角架受力图。图9为下拉杆l5受力图。图10为摇杆受力图。图11为上拉杆l2受力图。图12为偏心体的受力分析图。图13为系统受力分析图。图14为Adams仿真得到的曲柄扭矩T曲线图。图15为本专利技术的流程图。图中标识：偏心体1，上拉杆2，上摇杆3，下摇杆4，下拉杆5，三角架6，主拉杆7，滑块8，铰链9，铰链10。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步说明。本专利技术提出一种基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，针对某种类型的压力机，行程以及吨位一定，需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于NSGA‑II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定优化目标、设计变量和约束条件，建立以指定区域内滑块运行速度波动值最小、指定区域内最大曲柄扭矩值最小为目标函数的多目标优化数学模型；(2)建立八连杆机械压力机的八连杆机构三维模型，并获得简化后的八连杆机构模型；(3)设定初始设计变量和初始偏心体转速，对八连杆机构模型进行运动学分析，获得包括滑块行程、滑块速度和滑块加速度的运动学参数；(4)根据运动学参数以及压力机吨位信息，对八连杆机构模型进行动力学分析，获得曲柄扭矩；(5)利用NSGA‑II算法对滑块速度波动和最大曲柄扭矩进行优化，求解多目标优化数学模型，得到设计变量的Pareto最优解集。

【技术特征摘要】
1.基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定优化目标、设计变量和约束条件，建立以指定区域内滑块运行速度波动值最小、指定区域内最大曲柄扭矩值最小为目标函数的多目标优化数学模型；(2)建立八连杆机械压力机的八连杆机构三维模型，并获得简化后的八连杆机构模型；(3)设定初始设计变量和初始偏心体转速，对八连杆机构模型进行运动学分析，获得包括滑块行程、滑块速度和滑块加速度的运动学参数；(4)根据运动学参数以及压力机吨位信息，对八连杆机构模型进行动力学分析，获得曲柄扭矩；(5)利用NSGA-II算法对滑块速度波动和最大曲柄扭矩进行优化，求解多目标优化数学模型，得到设计变量的Pareto最优解集。2.如权利要求1所述的基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，其特征在于，步骤(1)中，多目标优化数学模型为其中，minf2(X)＝Tmax，X＝[l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，l8，a，b，α，β]，S.tXmin≤X≤Xmaxgu(X)≤0(u＝1，2，…，8)，式中，minf1(X)为指定区域内滑块运行速度波动值最小的目标函数，minf2(X)为指定区域内最大曲柄扭矩值最小的目标函数；X为设计变量，l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，l8分别为偏心体、上拉杆、上摇杆、下摇杆、下拉杆、三角架的两边杆长、主拉杆的杆长，a，b分别为两个铰链的位置，α为上下摇杆l3、l4之间的夹角，β为三角架l6、l7两边的夹角；gu(X)为约束条件。3.如权利要求2所述的基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，其特征在于，步骤(3)中，获得运动学参数的方法包括以下步骤：(3.1)简化后的八连杆机构模型，利用矢量封闭法则建立八连杆机构模型的运动学方程组；(3.2)利用New-Raphson算法求解八连杆机构模型的运动学方程组，得到滑块行程求解曲线；对滑块行程求解曲线求一阶导数，获得滑块速度求解曲线；对滑块行程求解曲线求二阶导数，获得滑块加速度求解曲线；(3.3)建立八连杆机构的三维模型，根据八连杆机构三维模型仿真处理得到滑块行程仿真曲线、滑块速度仿真曲线和滑块加速度仿真曲线；(3.4)验证求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出滑块行程、滑块速度和滑块加速度的求解参数；否则返回步骤(3.1)。4.如权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨将新，陈安杰，曹衍龙，曹彦鹏，任立飞，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33