重型数控机床多学科设计优化若干关键技术研究

论文摘要

重型数控机床是由多个部件和子系统组成的复杂系统,相互之间存在不同程度的耦合关系,这给该产品设计带来了很大的困难。将多学科设计优化方法(MDO)应用到该类产品的设计之中,则能充分考虑复杂系统各学科之间的关联,得到满足设计要求的全局优解;这对于提高重型数控机床设计水平和创新能力,具有较大的实际意义。本课题受国家“863”高技术研究发展计划项目2007AA04Z136、国家自然科学基金项目60573178和60736019支持,对重型数控机床MDO应用中的的若干关键难点进行研究。研究内容包括总体设计的MDO模型建立、学科建模和MDO问题求解。对多学科设计优化方法与技术进行了较全面的介绍。对重型数控机床设计优化发展情况进行了阐述。以重型数控双柱立式车床为例,对机床总体设计的MDO建模进行了研究,给出了总体设计的MDF、IDF、CO、BLISS模型。针对空间受力复杂的多油垫静压导轨的静压计算这一静不定问题求解困难甚至无法求解的现状,以静压导轨及其连接部分刚性足够大为前提,提出一种以油腔中心点共面/共线方程为协调条件的新的近似方法。用该近似计算方法建立了某重型数控立车横梁—滑座导轨静压计算的学科分析模型。在此基础上,采用元模型方法,对该横梁—滑座静压导轨系统进行了设计优化。将导轨静压近似计算新方法用于该重型数控立车刀架系统设计中,建立了刀架系统精加工精度计算模型,进而建立了刀架系统的MDO模型。此优化问题具有高阶、多峰、非线性的特点,且全局优解位于狭窄不规则的区域,导致基于元模型技术和启发式探索的优化迭代困难。对此,提出了基于元模型的设计空间轮换(DSA)策略,即:先在位于该约束边界上的子空间进行试验设计,建立元模型;在随后的每轮优化迭代循环中,以元模型为分析代理,顺序进行子设计空间上的启发式全局探索、整个设计空间上的局部寻优算法搜索、系统分析和更新元模型的操作,直至收敛。采用DSA策略,得到了该多学科优化问题的全局优解。进行了考虑静压—结构耦合的重型数控立车工作台导轨静压计算的数学建模与工作台MDO研究。在工作台主轴z向浮动情况下,用有限元法求解工作台变形时,它的z向约束较难处理。针对此问题,提出一种计算工作台刚性位移的方法和新的用于静压迭代计算求解的校正改进法,由此求出各油腔的油膜厚度和静压。新的校正改进法还可用于工作台中心卸荷或限制浮升起作用的情况。在此基础上,建立了包括结构和静压两个强耦合学科的工作台优化模型,采用并行子空间设计(CSD)方法求得了该优化模型的全局优解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语表
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景
• 1.3 多学科设计优化研究的形成、定义和目的
• 1.4 多学科设计优化发展概况
• 1.5 多学科设计优化研究内容概述
• 1.6 重型数控机床设计优化发展概况
• 1.7 本文的研究内容、目的和意义
• 1.8 本章小结
• 2 多学科设计优化方法
• 2.1 引言
• 2.2 多学科可行方法
• 2.3 单学科可行方法
• 2.4 协同优化算法
• 2.5 并行子空间优化算法
• 2.6 BLISS方法
• 2.7 分析目标级联方法
• 2.8 TLISS方法
• 2.9 智能优化方法
• 2.10 本章小结
• 3 重型数控机床总体设计优化
• 3.1 引言
• 3.2 重型数控机床总体设计中的学科划分
• 3.3 重型数控机床总体设计优化模型
• 3.4 重型数控机床总体设计的MDO模型
• 3.5 本章小结
• 4 重型数控立车横梁—滑座导轨静压计算与优化
• 4.1 引言
• 4.2 多油垫闭式静压导轨的静压计算近似方法
• 4.3 横梁—滑座静压导轨油腔压力计算
• 4.4 最大油腔封油边压力和最大油腔浮起压力计算
• 4.5 最大油腔压力的优化
• 4.6 本章小结
• 5 重型数控立车刀架系统的多学科设计优化
• 5.1 引言
• 5.2 刀架—滑枕静压导轨油腔最大静压计算
• 5.3 刀架系统设计优化的约束计算
• 5.4 刀架系统 MDO模型的建立与求解
• 5.5 本章小结
• 6 重型数控立车工作台静压计算与优化
• 6.1 引言
• 6.2 工作台静压导轨的结构与液压原理
• 6.3 工作台油腔静压计算的有关公式
• 6.4 工作台静压计算的新方法
• 6.5 工作台静压计算结果
• 6.6 工作台MDO模型的建立与求解
• 6.7 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表论文目录