基于满意度的分插机构优化方法研究及软件集成

论文摘要

分插机构是水稻插秧机的核心工作部件，其结构参数的优化是提高插秧机插秧质量和工作效率的关键。分插机构结构复杂，目标要求众多，其优化是典型的多目标优化问题，由于优化目标具有耦合性、非线性、模糊性，因此用传统的优化方法难以得到最优解。满意优化是解决分插机构多目标优化问题的理想方法，该方法基于满意度原理，不强调获取最优解而是根据具体情况寻求问题的满意解，可以很容易得到具有理想满意度的分插机构结构参数。本文以非直线排列式椭圆齿轮行星系分插机构为例，研究分插机构的运动学和动力学满意优化方法，具体的研究内容及结果如下：1)对非直线排列式椭圆齿轮行星系分插机构的运动学和动力学进行了分析，建立了分机构的运动学和动力学模型。2)根据分插机构运动学和动力学模型及分插机构的设计要求，建立分插机构优化模型，并在此基础上定义了分插机构满意度的概念，利用模糊数学中的综合评判法量化分插机构满意度。3)运用模糊综合评价获得样本满意度，并利用所得样本在MATLAB中对BP网络进行训练，获得分插机构满意度函数，用计算机实现了任意一组结构参数下分插机构性能的定量评价。4)以分插机构运动学和动力学的综合满意度为优化目标，采用改进的精英保留策略遗传算法对分插机构进行满意优化，获得一组优化数据： a=21.6501mm， k=0.987101，α0=55.3864°，δ0=28.8596°， ψ0=25.003°， S=169.062mm， H=130mm，W1=200r/min。该组参数下，各优化目标为：秧针轨迹高度324.45mm，轨迹的动穴口长度15.02mm，取秧角5.26°，推秧角62.67°，角度差57.41°，行星架力峰值253.58N，行星架力波动51.28N，栽植臂力峰值248.42N，栽植臂力波动27.06N，满意度为94.1092，与专家的经验值相符。5)按照优化结果对非直线排列式椭圆齿轮行星系分插机构进行了结构设计，利用UG软件完成了其三维造型和虚拟装配。基于ADAMS软件对所设计的分插机构进行动态仿真和分析，将仿真得到的结果和理论计算结果进行比较，验证了数学模型及优化结果的正确性。6)基于MATLAB平台开发分插机构满意度评价及优化软件。该软件具有良好的工作界面，其内容包括分插机构秧针尖点动轨迹和静轨迹仿真、分插机构运动学和动力学目标评价及总满意度评价、满意优化等，便于设计者即使是非专业研究人员，也能很方便地进行分插机构的理论分析和结构参数优化。本文所设计的是一种傻瓜式的分插机构优化软件，大大降低了优化问题对设计者和用户拥有相关专业知识的要求，对旋转式分插机构在插秧机上的推广应用具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水稻插秧机分插机构优化研究现状
• 1.2.2 满意度理论发展及应用
• 1.2.3 满意优化概述
• 1.3 课题的研究目的和主要内容
• 1.4 课题研究的技术路线
• 1.5 本章小节
• 第二章 椭圆齿轮行星系分插机构运动学及动力学分析
• 2.1 椭圆齿轮行星系分插机构的组成和工作原理
• 2.2 椭圆齿轮行星系分插机构运动学分析
• 2.2.1 运动学分析符号及相关说明
• 2.2.2 角位移分析
• 2.2.3 分插机构各关键点位移方程
• 2.2.4 分插机构各关键点速度方程和角速度方程
• 2.2.5 分插机构各键点加速度方程和各构件角加速度方程
• 2.2.6 分插机构运动学实例分析
• 2.3 椭圆齿轮行星系分插机构动力学分析
• 2.3.1 动力学分析符号及相关假设说明
• 2.3.2 分插机构动力学模型的建立
• 2.3.3 分插机构动力学实例分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 椭圆齿轮行星系分插机构优化模型和满意度评价方法的建立
• 3.1 分插机构优化模型的建立
• 3.1.1 设计要求
• 3.1.2 设计变量
• 3.1.3 目标函数
• 3.1.4 约束条件
• 3.2 参数变量对目标函数的影响
• 3.2.1 椭圆齿轮长轴 a 对目标的影响
• 3.2.2 椭圆齿轮短长轴之比 k 对目标的影响
• 3.2.3 栽植臂初始安装角α 0对目标的影响
• 3.2.4 行星轮初始安装角δ 0对目标的影响
• 3.2.5 行星架初始安装角 0对目标的影响
• 3.2.6 行星轮轴心与秧针尖点的距离 S 对目标的影响
• 3.2.7 各参数对动穴口的影响
• 3.2.8 各参数对齿轮箱直径的影响
• 3.3 基于模糊综合评判的分插机构满意度评价的研究
• 3.3.1 分插机构满意原理定义
• 3.3.2 基于模糊综合评判的分插机构满意度评价方法的建立
• 3.3.3 算例
• 3.4 本章小结
• 第四章 椭圆齿轮行星系分插机构满意度函数的建立
• 4.1 满意度函数建立方法简介
• 4.2 基于 BP 神经网络的分插机构满意度函数建立
• 4.2.1 神经网络概述
• 4.2.2 基于 BP 神经网络的分插机构满意度函数的 MATLAB 实现
• 4.2.3 算例
• 4.3 本章小节
• 第五章 基于遗传算法的椭圆齿轮行星系分插机构满意优化
• 5.1 遗传算法简介
• 5.1.1 遗传算法原理
• 5.1.2 遗传算法基本步骤
• 5.2 针对机构参数优化的遗传算法改进
• 5.2.1 编码
• 5.2.2 约束条件处理
• 5.2.3 精英保留策略
• 5.3 基于改进遗传算法的椭圆齿轮行星系分插机构满意优化
• 5.4 优化结果分析
• 5.5 本章小节
• 第六章 椭圆齿轮行星系分插机构虚拟样机试验
• 6.1 分插机构虚拟样机模型的建立
• 6.1.1 椭圆齿轮的实体建模
• 6.1.2 分插机构零件的实体建模
• 6.1.3 分插机构虚拟装配的实现
• 6.2 椭圆齿轮行星系分插机构虚拟仿真分析
• 6.2.1 分插机构运动分析
• 6.2.2 虚拟样机三维模型的导入
• 6.2.3 仿真环境设置
• 6.2.4 添加约束、驱动
• 6.3 仿真结果比较分析
• 6.3.1 秧针尖点运动轨迹分析
• 6.3.2 秧针尖点速度分析
• 6.4 本章总结
• 第七章 椭圆齿轮行星系分插机构满意度评价及优化软件集成
• 7.1 椭圆齿轮行星系分插机构满意度评价及优化软件概述
• 7.1.1 开发平台
• 7.1.2 优化软件设计思路
• 7.2 优化软件界面
• 7.3 优化软件功能介绍
• 7.4 本章小节
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果