含間隙多體系統(tǒng)靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、設(shè)計公差、加工誤差和磨損等因素造成間隙廣泛存在實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)中。間隙導(dǎo)致運(yùn)動副部件發(fā)生碰撞，產(chǎn)生高頻振蕩和噪聲，使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動精度以及性能下降，降低機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命。因此，對考慮間隙的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析是很有必要的，而含間隙多體系統(tǒng)動力學(xué)分析方法是考慮間隙的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)。為了降低間隙對機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響，在設(shè)計過程中就需要對含間隙多體系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化過程中，為了避免優(yōu)化參數(shù)選擇的盲目性首先需要對含間隙多

2、體系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度分析。目前，傳統(tǒng)的多體系統(tǒng)靈敏度分析方法（直接微分法和伴隨變量法）都很難用于對含間隙多體系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度分析。因此，本文提出了基于代理模型的含間隙多體系統(tǒng)靈敏度分析方法?？紤]到不確定性因素（材料不均，加工誤差等）廣泛存在于機(jī)械系統(tǒng)中，本文進(jìn)一步將不確定性分析方法引入含間隙多體系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，提出了存在不確定性的含間隙多體系統(tǒng)穩(wěn)健優(yōu)化方法。具體研究內(nèi)容如下：
　?。?）含混合間隙多體系統(tǒng)的動力學(xué)分析。首先介紹了絕對節(jié)點(diǎn)坐

3、標(biāo)法，旋轉(zhuǎn)副間隙模型的構(gòu)建，移動副間隙模型的構(gòu)建，以及接觸碰撞力模型和摩擦力模型。隨后以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為研究對象，構(gòu)建了同時考慮旋轉(zhuǎn)副間隙和移動副間隙的剛性曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型和剛?cè)狁詈锨瑝K機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型。在剛體模型中，分四種情況研究了旋轉(zhuǎn)副間隙和移動副間隙對滑塊速度、加速度和曲柄力矩的影響；在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校謩e在時域和頻域內(nèi)分析了部件柔性對間隙碰撞的緩沖作用，為含混合間隙機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)。
　?。?）基于絕

4、對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的柔性多體系統(tǒng)靈敏度分析。考慮到絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法可以對存在大變形的柔性多體系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)建模，在絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建模方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了基于直接微分法和伴隨變量法的柔性多體系統(tǒng)靈敏度分析方法，并且對比了兩種方法的計算效率。為存在大變形的柔性多體系統(tǒng)靈敏度分析提供了理論支撐。
　　（3）提出了基于代理模型的含間隙多體系統(tǒng)靈敏度分析方法。首先介紹了多項(xiàng)式代理模型和 Kriging模型，然后將這兩種代理模型引入多體系統(tǒng)靈敏度分析中

5、，提出了基于代理模型的多體系統(tǒng)靈敏度分析方法。隨后，以柔性單擺為例，對比了基于代理模型的多體系統(tǒng)靈敏度分析方法，直接微分法和伴隨變量法，以驗(yàn)證代理模型方法的可靠性。最后將提出的基于代理模型的多體系統(tǒng)靈敏度分析方法應(yīng)用于含間隙四連桿機(jī)構(gòu)。該研究為含間隙多體系統(tǒng)靈敏度分析提供了高效可靠的計算方法。
　　（4）含間隙多體系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。采用智能算法（粒子群算法和遺傳算法）對含間隙多體系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。首先介紹了傳統(tǒng)優(yōu)化方法和智能優(yōu)化方法

6、，接著對含間隙四連桿機(jī)構(gòu)和含間隙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。由分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)性能明顯得到改善。
　?。?）研究了存在不確定性的含間隙多體系統(tǒng)的穩(wěn)健優(yōu)化問題。首先介紹了不確定性描述方法，闡述了改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法理論和粒子群算法理論，給出了算法的計算流程。然后，采用多目標(biāo)粒子群算法和多目標(biāo)遺傳算法對彈簧阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)健優(yōu)化分析，驗(yàn)證了與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比穩(wěn)健優(yōu)化方法有更高的可靠性，并且能夠降低系統(tǒng)性能對參數(shù)