基于计算智能的振动—离心复合试验夹具优化设计
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摘要
振动—离心复合环境试验的研究是基于结构或模型可靠度的要求而提出来的，是研究结构环境适应能力、结构破坏机理、验证模型有效性的重要手段。将振动台安装于离心机之上的复合试验系统可以比较真实地模拟出这种复合环境。但是由于技术难度太大，振动台的推力受到很大限制，而且复合环境中的强烈扰动和各种运动之间的耦合使振动控制极为困难。因此，振动—离心复合试验夹具的优化设计成为试验技术中人们关注的重要问题之一。
本文尝试采用计算智能方法实现振动—离心复合试验夹具的优化设计。作者首先对模态分析、多体系统动力学分析方法作了简单介绍，并分别用柔性多体系统动力学和多刚体系统动力学推导了振动—离心复合试验系统的简化动力学方程，据此讨论了离心载荷对结构模态参数的影响。接下来，针对一种典型振动试验夹具，建立了以尺寸和质量为约束、一阶固有频率最高为目标的优化数学模型。应用有限元分析软件ANSYS计算了对应不同设计变量取值的结构在离心场中的一阶固有频率和质量。将部分分析数据作为训练样本，建立了三层BP神经网络，以该神经网络模型取代结构动力学模型，来得到设计变量与模态参数之间的非线性映射关系。
最后在上面工作的基础上，用BP神经网络进行优化的迭代计算和动力学分析，自动寻优采用了遗传算法。为了说明计算智能方法的优点，还采用常规的罚函数梯度方法进行了优化，并比较了两者之间的区别。结果表明，利用神经网络的高速、并行和强大的非线性映射能力来进行动力学计算可以大大提高计算效率；遗传算法的全局搜索能力能够以较大的概率找到全局最优点，避免陷入局部极小值。
The study of Vibration—centrifuge experiment,which was put forward on the basis of the request of the structural or model's reliability, is an important way to study structural applicability to environment and structural destroy rule , it is also an important way to verify the validity of the model. The system which install a shaker on a centrifuge can simulate the compound environment more really, but because difficulty for it's realization is too large: the shaker's force is confined, the strong disturbance in compound environment and the coupling between motions make the active control on the vibrator very difficulty . so the optimal design of vibration—centrifuge experiment fixture become an important problem which is concerned by many technician.
The computational intelligent is adapted to realize the optional design of fixture in this paper. The theory of modal analysis, Dynamics of multi-body were introduced firstly, and a simple dynamic equation of vibration-centrifuge experiment system were induced base on the dynamics of flexible multi-body system and dynamics of multi—rigid bodies system. Then the influences of fixture from centrifuge load were discussed, then a typical fixture's optimal mathematical model is established, whose restriction is weight and the target is base natural frequency. In the centrifugal field the base natural frequency and the mass of structure with different parameter were calculated by using Software ANSYS. Part of the analysis data is used as training sample to establish three layes BP Neural Network, and in stead of the dynamics model with trained BP Neural Network, the nonlinear mapping relationship between the design variable and the mode parameter is acquired.
At last, bases on the work mentioned above, this paper use BP natural network to optimal iterative computation and dynamics analysis, automatic search use the genetic algorithm, to verify the advantage of computational intelligence ,this paper
本文尝试采用计算智能方法实现振动—离心复合试验夹具的优化设计。作者首先对模态分析、多体系统动力学分析方法作了简单介绍，并分别用柔性多体系统动力学和多刚体系统动力学推导了振动—离心复合试验系统的简化动力学方程，据此讨论了离心载荷对结构模态参数的影响。接下来，针对一种典型振动试验夹具，建立了以尺寸和质量为约束、一阶固有频率最高为目标的优化数学模型。应用有限元分析软件ANSYS计算了对应不同设计变量取值的结构在离心场中的一阶固有频率和质量。将部分分析数据作为训练样本，建立了三层BP神经网络，以该神经网络模型取代结构动力学模型，来得到设计变量与模态参数之间的非线性映射关系。
最后在上面工作的基础上，用BP神经网络进行优化的迭代计算和动力学分析，自动寻优采用了遗传算法。为了说明计算智能方法的优点，还采用常规的罚函数梯度方法进行了优化，并比较了两者之间的区别。结果表明，利用神经网络的高速、并行和强大的非线性映射能力来进行动力学计算可以大大提高计算效率；遗传算法的全局搜索能力能够以较大的概率找到全局最优点，避免陷入局部极小值。
The study of Vibration—centrifuge experiment,which was put forward on the basis of the request of the structural or model's reliability, is an important way to study structural applicability to environment and structural destroy rule , it is also an important way to verify the validity of the model. The system which install a shaker on a centrifuge can simulate the compound environment more really, but because difficulty for it's realization is too large: the shaker's force is confined, the strong disturbance in compound environment and the coupling between motions make the active control on the vibrator very difficulty . so the optimal design of vibration—centrifuge experiment fixture become an important problem which is concerned by many technician.
The computational intelligent is adapted to realize the optional design of fixture in this paper. The theory of modal analysis, Dynamics of multi-body were introduced firstly, and a simple dynamic equation of vibration-centrifuge experiment system were induced base on the dynamics of flexible multi-body system and dynamics of multi—rigid bodies system. Then the influences of fixture from centrifuge load were discussed, then a typical fixture's optimal mathematical model is established, whose restriction is weight and the target is base natural frequency. In the centrifugal field the base natural frequency and the mass of structure with different parameter were calculated by using Software ANSYS. Part of the analysis data is used as training sample to establish three layes BP Neural Network, and in stead of the dynamics model with trained BP Neural Network, the nonlinear mapping relationship between the design variable and the mode parameter is acquired.
At last, bases on the work mentioned above, this paper use BP natural network to optimal iterative computation and dynamics analysis, automatic search use the genetic algorithm, to verify the advantage of computational intelligence ,this paper
引文
[1] 顾松年，徐斌，荣见华，姜节胜．结构动力学设计优化方法的新进展．机械强度，2005，27(2)：156～162
[2] Sokolowski J, Zolesio JP. Introduction to shape optimization: shape sensitivity analysis. Springer-Verlag, New York, 1992
[3] 陈建军，车建文，崔明涛，戴君，马洪波 结构动力优化设计述评与展望．力学进展，2001，5：181～192
[4] 林家浩．有频率禁区的结构优化设计．大连工学院学报，1981，20(1)：27～36
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