CN106951610B - 一种基于近似模型的插秧机秧箱结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种插秧机秧箱结构优化方法，对秧箱结构进行初始性能的有限元分析，确定刚度富裕点；对影响秧箱动静态性能的关键因素进行灵敏度分析，确定设计变量，以秧箱的模态、刚度作为优化设计的约束条件，质量作为目标函数，构建秧箱结构优化数学模型；采用优化拉丁超立方试验设计产生样本点，选用精度较高的Kriging模型，构建质量、模态和刚度与设计变量关系的近似模型，对优化数学模型进行简化；采用智能优化算法对优化数学模型进行求解，得出质量最小值和对应的设计变量取值，并对优化后的秧箱静动态性能进行校验分析。本发明通过构建刚度、模态和质量与设计变量关系的近似模型，能够减少计算复杂性，因此可加快优化进程。
Description
技术领域：
本发明涉及插秧机结构设计技术领域，主要涉及一种基于近似模型的插秧机秧箱结构优化方法。
背景技术：
插秧机秧箱的轻量化设计属于典型的高维、非线性多学科优化问题，其基本原则是在满足静刚度和振动约束的前提下使秧箱质量最小。利用传统的计算机辅助设计方法，容易出现计算复杂或性能设计过剩等问题。本发明通过结合灵敏度分析与近似模型方法，确定了优化目标、约束条件和设计变量，将多目标优化问题转化为单目标优化问题，解决了仿真精度与计算复杂性的矛盾。
发明内容：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于近似模型的插秧机秧箱结构优化方法，实现结构的轻量化，在满足结构静动态性能的前提下，使其质量达到最小，通过近似模型的应用进行有约束的优化，实现秧箱的轻量化，加快了计算进程，缩短了优化周期。解决了仿真精度与计算复杂性的矛盾；在牺牲一定精度的基础上，有效的减少了计算的复杂性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于近似模型的插秧机秧箱结构优化方法，其特征在于：首先通过对箱结构进行初始性能的有限元分析，确定刚度富裕点；对影响秧箱静动态性能的关键因素进行灵敏度分析，确定设计变量，以秧箱的模态、刚度作为优化设计的约束条件，质量作为目标函数，构建秧箱结构优化数学模型；然后采用优化拉丁超立方试验设计产生样本点，选用精度较高的Kriging模型，构建质量、模态和刚度与设计变量关系的近似模型，对优化数学模型进行简化；最后采用智能优化算法对优化数学模型进行求解，得出质量最小值和对应的设计变量取值，并对优化后的秧箱静动态性能进行校验分析。
其具体包括以下步骤：
步骤1：秧箱结构初始性能有限元分析：包括构建秧箱结构有限元模型，进行刚度分析与模态分析，确定初始条件下秧箱的最大硬点刚度与模态第一阶固有频率，并确定刚度富裕点；
步骤2：秧箱结构优化数学模型的构建：包括确定优化目标、约束条件和设计变量，优化目标为秧箱质量最小；约束条件为满足秧箱静动态性能要求，即满足静刚度和振动约束；变量包括形状变量和尺寸变量；对变量进行质量灵敏度分析，灵敏度较大的变量作为设计变量；根据加工工艺及插秧机秧箱性能要求确定各设计变量的取值范围；
步骤3：近似模型的构建：包括确定试验设计方法、初始样本点、近似模型类型及其精度评估准则；根据步骤2的分析结果，构建以刚度、模态和质量与设计变量关系的近似模型，并进行精度评估，如不满足条件，则增加样本点重新构建近似模型，直至满足精度要求；
步骤4：秧箱结构优化：根据步骤3所构建的近似模型，通过有约束的单目标优化方法得到满足静动态性能条件下，秧箱质量的最小值及对应设计变量取值；
步骤5：秧箱静动态性能校验分析：校验秧箱设计变量最优值，如满足设计目标则设计完成，如不满足设计目标，则修改设计变量的初始取值进入步骤2，按照上述步骤构建、优化和分析，直至满足设计目标则设计完成。
所述步骤2中的秧箱形状变量主要有各个经轴架的截面宽度和高度；尺寸变量主要有各个经轴架及秧箱单元的厚度。
所述步骤3中的近似模型包括秧箱质量、刚度、模态三个响应量与设计变量关系的近似模型，刚度、模态与设计变量关系的近似模型分别拟合最大硬点刚度和秧箱的第一阶固有频率；近似模型精度评估准则为确定性系数法，取R2≥0.9。
所述步骤5中的校核验证秧箱变量最优值，包括验证秧箱刚度和模态性能。
本发明的优点是：
(1)本发明在满足结构静动态性能要求的前提下进行插秧机秧箱结构优化，摆脱了经验设计带来的不确定性及盲目性；
(2)本发明通过近似模型的应用，解决了仿真精度与计算复杂性之间的矛盾，在牺牲一定精度的基础上，可在设计变量给定范围内更快地找到最优值，大大缩短了计算时间。
附图说明：
图1为本发明的设计流程图。
图2为本发明实施案例中插秧机秧箱有限元模型。
图3为本发明实施案例中经轴架1的截面设计变量定义图。
图4为本发明实施案例中经轴架2的截面设计变量定义图。
图5为本发明实施案例中经轴架3的截面设计变量定义图。
图6为本发明实施案例中经轴架4的截面设计变量定义图。
具体实施方式：
参见附图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
机械的轻量化有益于推进节能减排，本发明提供一种结构优化方法，实现结构的轻量化，在满足结构的动静态性能的前提下，使其质量达到最小，通过近似模型的应用进行有约束的优化，实现秧箱的轻量化，解决了仿真精度与计算复杂性之间的矛盾，加快了计算进程，缩短了优化周期。
步骤1：秧箱结构有限元分析。包括构建秧箱结构有限元模型，进行刚度分析与模态分析，确定初始条件下秧箱的最大硬点刚度与模态第一阶固有频率，并确定刚度富裕点。
步骤2：秧箱结构优化数学模型的构建。包括确定优化目标、约束条件和设计变量。优化目标为秧箱质量最小；约束条件为满足秧箱静动态性能要求，即满足静刚度和振动约束；变量包括形状变量和尺寸变量。对变量进行质量灵敏度分析，灵敏度较大的变量作为设计变量。根据加工工艺及插秧机秧箱性能要求确定各设计变量的取值范围。
步骤3：近似模型的构建。包括确定试验设计方法、初始样本点、近似模型类型及其精度评估准则。根据步骤2的分析结果，构建以刚度、模态和质量与设计变量关系的近似模型，并进行精度评估，如不满足条件，则增加样本点重新构建近似模型，直至满足精度要求。
步骤4：秧箱结构优化。根据步骤3所构建的近似模型，通过有约束的单目标优化方法得到满足静动态性能条件下，秧箱质量的最小值及对应设计变量取值。
步骤5：秧箱静动态性能校验分析。校验秧箱设计变量最优值，如满足设计目标则设计完成，如不满足设计目标，则修改设计变量的初始取值进入步骤2。
作为本发明的进一步改进，所述步骤2中的秧箱形状变量主要有：各个经轴架的截面宽度和高度；尺寸变量主要有：各个经轴架及秧箱单元的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述步骤3中的近似模型包括秧箱质量、刚度、模态三个响应量的近似模型，刚度、模态近似模型分别拟合最大硬点刚度和秧箱的一阶固有频率；近似模型精度评估准则为确定性系数法，取R2≥0.9。
作为本发明的进一步改进，所述步骤5中的秧箱静动态性能校验，包括验证秧箱刚度和模态性能。
实施例：现以某型插秧机秧箱的结构优化设计为例进行说明，秧箱的初始设计有限元模型如图2所示，图中1为秧箱单元，2为经轴架1，3为经轴架2,4为经轴架3,5为经轴架4。
步骤1：秧箱结构有限元分析。秧箱有限元模型如图2所示。进行刚度和模态分析，分析结果为秧箱初始质量为10.631Kg，最大硬点刚度为22.712N·mm-1，第一阶固有频率为30.271Hz。
步骤2：秧箱结构优化数学模型的构建。包括确定优化目标、约束条件和设计变量，设计变量灵敏度分析。秧箱的设计变量包括形状变量和尺寸变量，形状变量为各个经轴架的截面宽度和高度，尺寸变量为经轴架及秧箱单元的厚度。通过CAE计算，秧箱设计变量的灵敏度排序为厚度(秧箱单元、经轴架2、3、4、1)、截面高度(经轴架2、1、3)、截面宽度(经轴架4、3、1)。
步骤3：近似模型的构建。采用优化拉丁超立方试验设计产生样本点，选用精度较高的Kriging模型，得到确定性系数R2均大于0.9。
步骤4：秧箱结构优化。将秧箱的模态、刚度作为优化设计的约束条件，质量作为目标函数进行优化，得到质量最小时秧箱的变量值，并进行校核，优化前后的秧箱设计变量及质量、刚度、模态值如表1所示。
表1秧箱优化前后对比
步骤5：秧箱静动态性能校验分析。优化后秧箱的质量为9.458Kg，第一阶固有频率为30.967Hz，刚度为23.205N·mm-1，秧箱的静动态性能均满足设计目标要求，质量减少了1.173Kg，实现了秧箱的轻量化。
本专利与现有技术相比：
(1)对设计变量进行灵敏度分析，选出对优化目标影响较大的变量，在一定程度上降低了优化问题的难度。
(2)考虑了秧箱实际工况下的模态与刚度，在满足实际性能需要的前提下，实现了秧箱的轻量化设计。
(3)通过构建结构响应的近似模型替代真实的结构响应，加快了优化进程，缩短了优化周期。
(4)将多目标优化问题转化为单目标优化问题，降低了优化问题的难度。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于近似模型的插秧机秧箱结构优化方法，其特征在于：首先通过对箱结构进行初始性能的有限元分析，确定刚度富裕点；对影响秧箱静动态性能的关键因素进行灵敏度分析，确定设计变量，以秧箱的模态、刚度作为优化设计的约束条件，质量作为目标函数，构建秧箱结构优化数学模型；然后采用优化拉丁超立方试验设计产生样本点，选用精度较高的Kriging模型，构建质量、模态和刚度与设计变量关系的近似模型，对优化数学模型进行简化；最后采用智能优化算法对近似模型进行求解，得出质量最小值和对应的设计变量取值，并对优化后的秧箱静动态性能进行校验分析；
所述的一种基于近似模型的插秧机秧箱结构优化方法：具体包括以下步骤：
步骤1：秧箱结构初始性能有限元分析：包括构建秧箱结构有限元模型，进行刚度分析与模态分析，确定初始条件下秧箱的最大硬点刚度与模态第一阶固有频率，并确定刚度富裕点；
步骤2：秧箱结构优化数学模型的构建：包括确定优化目标、约束条件和设计变量，优化目标为秧箱质量最小；约束条件为满足秧箱静动态性能要求，即满足静刚度和振动约束；变量包括形状变量和尺寸变量；对变量进行质量灵敏度分析，将秧箱单元的厚度，经轴架1的厚度、宽度、高度，经轴架2的厚度、高度，经轴架3的厚度、宽度、高度，经轴架4的厚度、宽度作为设计变量；根据加工工艺及插秧机秧箱性能要求确定各设计变量的取值范围；
步骤3：近似模型的构建：包括确定试验设计方法、初始样本点、近似模型类型及其精度评估准则；根据步骤2的分析结果，构建以刚度、模态和质量与设计变量关系的近似模型，并进行精度评估，如不满足条件，则增加样本点重新构建近似模型，直至满足精度要求；
步骤4：秧箱结构优化：根据步骤3所构建的近似模型，通过有约束的单目标优化方法得到满足静动态性能条件下，秧箱质量的最小值及对应设计变量取值；
步骤5：秧箱静动态性能校验分析：校验秧箱设计变量最优值，如满足设计目标则设计完成，如不满足设计目标，则修改设计变量的初始取值进入步骤2，按照上述步骤3近似模型的构建、步骤4秧箱结构优化和步骤5秧箱静动态性能校验分析，直至满足设计目标则设计完成；
所述步骤3中的近似模型包括秧箱质量、刚度、模态三个响应量与设计变量关系的近似模型，刚度、模态与设计变量关系的近似模型分别拟合最大硬点刚度和秧箱的第一阶固有频率；近似模型精度评估准则为确定性系数法，取R2≥0.9；
所述步骤5中的校验秧箱变量最优值，包括验证秧箱刚度和模态性能。
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