挖掘机动臂结构智能优化设计若干关键技术研究

论文摘要

本文针对现有挖掘机工作装置结构优化设计方法存在优化结果容易出现结构畸形，优化设计中结构驱动变量及映射动臂结构应力特征区域选择不合理，优化效率低且容易陷入局部最优解等问题，以动臂为研究对象，主要进行以下几方面的研究：针对现有动臂结构数值优化难以完整表示动臂结构设计领域知识、设计规范知识、专家经验知识导致可能出现动臂结构畸形等问题，提出集成数值计算与逻辑推理的动臂结构智能优化设计方法，以体积最小为目标，建立基于GA（GeneticAlgorithm）算法实现数值计算、KBS（Knowledge-Based System）实现逻辑推理计算的综合多工况动臂结构智能优化设计模型，进而探讨GA与KBS的集成方法、智能优化设计求解算法。提出了基于动臂结构分层次编码与分层次归类方法的动臂结构设计知识表示和处理方法。通过构建动臂结构分类编码系统和各类动臂结构相似性特征矩阵实现了动臂结构设计知识的获取、表达和处理，利用经验知识引导动臂结构变量的调整，使之归入“形状距离”最短动臂结构类别，有效地避免结构优化设计过程可能出现畸形动臂结构的现象。针对现有挖掘机工作装置结构优化中结构驱动变量选择不合理，容易导致优化结果陷入局部极小的问题，在基于蒙特卡罗模拟（Monte Carlo Simulation）的动臂结构参数分别与体积、应力响应Spearman秩相关分析基础之上，提出动臂结构优化驱动变量选择方法。进而提出有效保证动臂样本结构不出现畸形且分布均匀的分阶段拉丁超立方抽样（Latin Hypercube Sampling）方法以及动臂结构自动建模和有限元分析方法。针对动臂结构优化算法收敛速度慢的问题，提出利用动臂结构应力分布等强度化思想实现结构优化设计经验知识指导优化设计计算的方法。构建了动臂结构智能优化设计框架，基于工程文件和工程文件夹的文档组织方式以及综合CLIPS、VC++6.0、Pro/Toolkit、APDL等工具的软件集成技术，开发了人机交互界面友好的动臂结构智能优化设计软件，并以实例验证动臂结构智能优化设计算法在寻求全局最优解、保证优化设计质量方面的可行性和有效性。研究结果表明，动臂结构智能优化设计软件能够有效避免动臂结构出现畸形，求解得到全局最优解。动臂结构分层次编码与分层次归类方法能够很好获取、表达和处理动臂结构设计规范知识和专家经验知识。分阶段拉丁超立方抽样技术能够为蒙特卡罗模拟和神经网络建模提供分布均匀、结构正常的高质量动臂结构样本。CAD/CAE模块能够良好支持动臂结构的自动化实体建模和有限元分析及结果的可视化与输出。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 挖掘机动臂结构优化研究现状分析
• 1.3 课题研究内容
• 第二章 综合多工况动臂结构智能优化目标的确定及优化模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 动臂结构智能优化设计目标
• 2.3 动臂结构智能优化设计模型
• 2.3.1 动臂结构驱动变量选择
• 2.3.2 动臂结构智能优化设计目标函数
• 2.3.3 动臂结构智能优化约束体系
• 2.4 动臂结构智能优化设计求解方法
• 2.4.1 动臂结构智能优化设计方法选择
• 2.4.2 动臂结构智能优化设计数值计算模型建立
• 2.4.3 动臂结构智能优化设计逻辑推理模型建立
• 2.4.4 动臂结构智能优化设计知识的组织方式
• 2.5 动臂结构智能优化设计工作流程
• 2.5.1 动臂结构智能优化设计集成方法
• 2.5.2 动臂结构智能优化设计工作流程
• 2.6 小结
• 第三章 动臂结构设计知识获取、表达和处理
• 3.1 引言
• 3.2 动臂结构设计知识表达
• 3.3 动臂结构知识分类编码基本思想
• 3.3.1 动臂结构编码方案
• 3.3.2 动臂结构编码的实现
• 3.3.3 动臂结构分类方案
• 3.4 动臂结构分类编码的设计知识处理
• 3.4.1 动臂结构设计知识处理方法
• 3.4.2 畸形动臂结构参数的调整方法
• 3.4.3 动臂结构设计知识应用实例
• 3.5 小结
• 第四章 动臂结构驱动变量选择及逻辑辅助调优方法
• 4.1 引言
• 4.2 动臂结构驱动变量选择方法
• 4.3 动臂结构参数与体积、应力响应 Spearman 秩相关分析
• 4.3.1 基于蒙特卡罗模拟的动臂结构参数与响应 Spearman 分析方法
• 4.3.2 动臂结构参数与响应蒙特卡罗模拟中抽样方法的选择
• 4.3.3 基于分阶段拉丁超立方抽样的动臂结构抽样
• 4.3.4 动臂结构自动化实体建模和有限元分析的重要性
• 4.3.5 动臂结构自动化实体建模和有限元分析方法实现
• 4.3.6 动臂结构参数与体积、应力响应 Spearman 秩相关分析结果
• 4.4 动臂结构驱动变量确定
• 4.5 动臂结构应力特征区域选择
• 4.6 动臂结构逻辑辅助调优知识获取与利用
• 4.6.1 动臂结构逻辑辅助调优知识获取
• 4.6.2 动臂结构逻辑辅助调优实例验证
• 4.7 小结
• 第五章 动臂结构智能优化实现
• 5.1 引言
• 5.2 动臂结构智能优化设计框架实现
• 5.2.1 动臂结构智能优化设计框架功能需求
• 5.2.2 动臂结构智能优化设计框架
• 5.3 动臂结构智能优化设计软件的实现
• 5.3.1 软件文档管理和组织方案
• 5.3.2 动臂结构智能优化设计软件框架实现
• 5.3.3 动臂结构智能优化设计计算模块实现
• 5.3.4 动臂结构 CAD/CAE 模块实现
• 5.3.5 动臂结构智能优化设计软件综合集成
• 5.4 动臂结构智能优化实例验证
• 5.4.1 智能优化设计结果
• 5.4.2 智能优化设计实例结果综合分析
• 5.5 小结
• 结论与展望
• 1 结论
• 2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历