非圆曲面孔用超磁致伸缩致动器多目标优化

论文摘要

非圆曲面孔的应用,可以较大限度地提高活塞承载能力,是高负荷活塞销孔发展的必然趋势。非圆曲面孔复杂的三维空间曲面结构,要求在镗削过程中,刀具径向位置随着主轴转角和其轴向位置的变化,做高频响的精密微位移补偿运动。这给生产加工带来了技术难题。本文研究了一种基于超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material, GMM）驱动的新型刀具补偿装置（Giant Magnetostrictive Actuator, GMA）,以解决此加工难题。本文的研究成果在山东滨州渤海活塞有限公司得到了应用。首先,综述了国内外异形孔用刀具补偿装置现状,提出了利用GMM驱动,组合柔性铰链机构,实现刀杆平动来解决异形孔镗削问题的方案；综述了GMA优化现状,提出建立变形体显式模型,并结合遗传算法进行多目标优化的方案；研究了改进的非支配排序遗传算法（Modified Non-dominating Sorting Genetic Algorithm, NSGAⅡ）,（?）到了处理变量不等关系约束的两个途径,解决了优化方法问题。然后,设计了基于“直角杠杆+四连杆机构”的变形体,可实现“施力方向与刀具补偿位移方向相垂直”的运动,预压力的施加方式使GMA系统更加紧凑。第三,探讨了变形体模型建立的四种方案,根据四种方案的共同需求,建立了此变形体精确的有限元模型,用宏命令文件（MAC文件）实现了自动循环建模和计算。尝试了基于现有柔性铰链模型建立变形体数学模型的方法,最终采用的建模方案为：首先确定影响变形体性能的关键因素,用有限元方法和曲线拟合方法,结合杠杆原理、等效质量计算公式和模态计算公式等,得到变形体关键因素耦合的动静态模型。然后给出了等效质量的误差修正模型,并用NSGAⅡ对修正参数进了优化,保证了变形体动态方程的准确性最后,运用遗传算法NSGAⅡ对变形体进行了多目标优化分析。目标包括：考虑GMM棒弹性变形的输出位移、输出力、磁致伸缩系数、变形体输出位移和一阶固有频率,得到了综合多因素的最优解集。对优化后的GMA进行了试验,证明GMA定位精度和重复定位精度高,加工的销孔型线圆滑,能够满足销孔加工精度要求

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 非圆曲面孔的作用、特征及加工要求
• 1.2 异形孔用刀具补偿装置综述
• 1.2.1 国内外刀具补偿装置现状
• 1.2.2 刀具补偿装置现状总结
• 1.3 GMA优化研究现状
• 1.4 课题来源、意义和研究内容
• 1.4.1 课题来源及意义
• 1.4.2 研究内容和论文结构
• 第2章 多目标优化方法研究
• 2.1 多目标优化概念
• 2.2 多目标优化方法的比较和选择
• Ⅱ的研究'>2.3 NSGA_Ⅱ的研究
• Ⅱ基本原理和过程'>2.3.1 NSGA_Ⅱ基本原理和过程
• Ⅱ参数选择'>2.3.2 NSGA_Ⅱ参数选择
• 2.3.3 变量不等关系约束处理方法
• 第3章 变形体设计及模型研究
• 3.1 GMA介绍及变形体设计思想验证
• 3.1.1 新型刀具补偿装置介绍
• 3.1.2 GMA设计基本要求
• 3.1.3 设计思想的有限元分析验证
• 3.2 变形体数学模型建立四种方案的探讨
• 3.3 有限元自动循环计算的实现和单因素分析
• 3.3.1 几何模型的简化
• 3.3.2 单元选择和网格划分
• 3.3.3 施加约束与求解
• 3.3.4 有限元计算结果
• 3.3.5 循环计算MAC文件的实现
• 3.3.6 变形体结构单因素分析
• 3.4 基于柔性铰链模型建立变形体模型的探讨（方案一）
• 3.4.1 柔性铰链机构的研究
• 3.4.2 变形体数学模型建立的尝试
• 3.5 关键因素耦合模型的建立（方案二）
• 3.5.1 关键因素的选择
• 3.5.2 耦合位移模型的建立
• 3.5.3 一阶模态方程建立
• 3.5.4 变形体输出输入位移模型的建立
• 3.6 单目标函数的三维图显示
• 第4章 GMA多目标优化
• 4.1 GMM棒输出力和位移研究
• 4.2 GMA系统多目标优化
• 第5章 实验研究
• 5.1 变形体平动验证实验
• 5.2 预应力施加方法
• 5.3 销孔镗削试验
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结和主要创新点
• 6.2 研究展望
• 附录一 GMA目标优化最优解集数据
• 附录二 吃刀稳定性试验数据
• 附录三 活塞销孔纵向型线测量结果
• 附录四 课题研究成果应用证明
• 附录五 高负荷异形孔发明专利证书
• 附录六 一种新型镗削刀具补偿装置专利受理通知书
• 参考文献
• 致谢
• 攻读顾士学位期间取得的科研成果及参加的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表