协同优化理论及其在铰接式自卸车驱动桥设计中的应用

论文摘要

协同优化是近十几年发展起来的一种两层系统优化方法,在航空航天领域已得到长足发展和广泛应用,而在复杂工程机械系统领域的研究才刚刚起步。本文以45吨铰接式自卸车驱动桥的设计为实际工程背景,研究协同优化在重型车辆驱动桥设计中应用的可行性;对铰接式自卸车驱动桥进行协同优化,综合考虑整车的性能和驱动桥各部件设计参数之间的耦合关系,避免了以往单学科优化设计只考虑单个零件或各总成内部设计关系的片面性,具有实际工程意义。简述了标准协同优化的数学模型、计算框架,通过算例验证了标准协同优化算法,根据优化结果得出相应的结论,指出标准协同优化算法存在计算困难等缺陷;对协同优化的计算特性进行分析,从理论上寻求协同优化方法存在计算困难的原因,在此基础上,通过系统级约束松弛变量法和响应面近似模型等改进措施,来提高协同优化收敛到最优解的效率和鲁棒性。通常多学科设计优化是一种确定性设计,未考虑不确定性因素的影响,本文将可靠性理论和协同优化相结合,建立了基于一次可靠性方法的协同优化模型,阐述了其计算流程,用算例验证了该方法的可行性,并将该方法应用到铰接式自卸车驱动桥的设计中。在复杂工程系统分解规划的理论基础之上,按照层次结构,结合铰接式自卸车驱动桥的物理结构特点,将驱动桥按物理结构总成分解成若干个子系统,并对每个子系统进行单学科优化,为驱动桥进行协同优化奠定了基础。本文将改进的协同优化方法应用到45吨铰接式自卸车驱动桥的设计中,运用多学科设计优化平台iSIGHT,并集成Matlab软件,以整车的动力性和燃油经济性为系统级目标函数,完成了驱动桥协同优化的数学建模和优化求解,将优化结果与传统设计的结果进行对比,结果表明协同优化方法较传统设计更能获得体现整个系统性能的最优解。考虑不确定性因素对驱动桥设计的影响,使用基于一次可靠性方法的协同优化方法对驱动桥进行可靠性优化分析,并得出了相应结论。根据协同优化的结果,使用齿轮传动系统虚拟样机软件Romax,建立了驱动桥的虚拟样机模型,对驱动桥齿轮进行各档循环工况下的强度分析,并对各支承轴承进行寿命分析和损伤评估,仿真结果表明协同优化方法应用到驱动桥的设计中是切实可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源与选题意义
• 1.2 多学科设计优化综述
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内发展概况
• 1.2.3 MDO 研究的内容及方法
• 1.2.4 MDO 计算框架
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 2 协同优化方法的理论基础
• 2.1 协同优化概述
• 2.1.1 协同优化的数学描述
• 2.1.2 协同优化的计算框架
• 2.1.3 协同优化的优缺点及工程意义
• 2.2 协同优化设计空间的搜索策略
• 2.2.1 数值型优化算法
• 2.2.2 探索型优化算法
• 2.2.3 组合优化算法
• 2.3 算例
• 2.3.1 数值算例
• 2.3.2 齿轮减速器算例
• 2.4 协同优化方法计算特性分析
• 2.4.1 协同优化存在计算困难的原因
• 2.4.2 协同优化方法的改进措施
• 2.5 本章小结
• 3 基于可靠性的协同优化方法
• 3.1 不确定性的来源
• 3.2 一次可靠性方法
• 3.3 基于FORM 的协同优化模型
• 3.4 算例验证
• 3.4.1 数值算例
• 3.4.2 减速器算例
• 3.5 本章小结
• 4 ADT 驱动桥的分解规划及单学科优化
• 4.1 ADT 驱动桥系统的分解技术
• 4.1.1 复杂工程系统的层次结构
• 4.1.2 ADT 驱动桥的特点及分解
• 4.2 ADT 驱动桥各总成的单科优化
• 4.2.1 一级减速器的单学科优化
• 4.2.2 主减速器的单学科优化
• 4.2.3 差速器的单学科优化
• 4.2.4 轮边减速器的单学科优化
• 4.3 本章小结
• 5 ADT 驱动桥的协同优化
• 5.1 驱动桥的协同优化描述
• 5.2 驱动桥的协同优化模型
• 5.2.1 系统级优化的数学模型
• 5.2.2 系统级单学科优化
• 5.2.3 驱动桥协同优化子系统的模型建立
• 5.3 驱动桥的协同优化结果
• 5.4 驱动桥的可靠性协同优化结果
• 5.4.1 一级减速器的可靠性协同优化结果
• 5.4.2 主减速器的可靠性协同优化结果
• 5.4.3 轮边减速器的可靠性协同优化结果
• 5.4.4 结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 基于Romax 的驱动桥虚拟样机仿真
• 6.1 Romax 软件介绍
• 6.1.1 Romax Designer 模块介绍
• 6.1.2 高级模块介绍
• 6.2 基于Romax 的驱动桥仿真模型
• 6.3 基于Romax 的仿真结果
• 6.3.1 轴承仿真分析结果
• 6.3.2 齿轮仿真分析结果
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢