基于概率克隆選擇微粒群算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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1、北京交通人學(xué)碩十學(xué)位論文作用【2。1。為了適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展的需要，解決機(jī)械零件即機(jī)車車輪踏面的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，本論文將免疫克隆選擇算法、微粒子算法和模擬退火算法等進(jìn)化優(yōu)化算法應(yīng)用于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，旨在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)算法研究方面作一些探索性研究。其基本思想是將各自算法進(jìn)行改進(jìn)，并依據(jù)其算法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行算法融合，利用融合算法的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到更為合理的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，節(jié)省原材料，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，并且提高算法的尋優(yōu)過程和求解能力，提高算法效率。本課題研究的重點(diǎn)是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立、優(yōu)化算法的融合機(jī)理及其融合算法的應(yīng)用。這些研究?jī)?nèi)容有利于促進(jìn)零

2、件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得算法的理論支持，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率和求解能力，從而使企業(yè)及時(shí)準(zhǔn)確地響應(yīng)市場(chǎng)，在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。1．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀優(yōu)化設(shè)計(jì)(OptimalDesign)是今年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新興的學(xué)科，優(yōu)化設(shè)計(jì)為機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，使得在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題時(shí)能夠從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找到盡可能完美的或最適宜的設(shè)計(jì)方案。多年來(lái)，學(xué)者們?cè)谶@一領(lǐng)域進(jìn)行了艱苦的研究工作，無(wú)論是在理論研究發(fā)展上，還是在系統(tǒng)開發(fā)上都取得了豐碩的成果。1．2．1模糊可靠-I生優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)的任務(wù)是在一定條件下，通過綜合分析計(jì)算和評(píng)價(jià)比較，找出滿足給定功能要求的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

3、，而機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的則是從眾多的滿足基本要求的設(shè)計(jì)方案中選取較好或最好的方案。常規(guī)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)一般以常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)法的安全系數(shù)或許用應(yīng)力為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時(shí)將應(yīng)力、強(qiáng)度等變量視為確定性變量，并且安全系數(shù)主要是根據(jù)設(shè)計(jì)人員的使用經(jīng)驗(yàn)確定，缺乏定量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，具有明顯的不確定性。而機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的優(yōu)化技術(shù)與可靠性理論相結(jié)合，既能定量地回答產(chǎn)品在運(yùn)行中的可靠性，又能使產(chǎn)品的功能參數(shù)獲得優(yōu)化解，在產(chǎn)品的功能安全性、重量、體積以及成本等方面顯示出明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械設(shè)計(jì)中有三種不同性質(zhì)的設(shè)計(jì)變量，即確定性、隨機(jī)性和模糊性變量?；诖_定性和隨機(jī)性變量的常規(guī)可

4、靠性理論已比較成熟，并獲得了廣泛的應(yīng)用。2引言但在許多情況下，由于很難給出明確的定義和界限也會(huì)造成變量的不確定性，使得在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)中存在著大量的模糊信息。近十幾年來(lái)，人們對(duì)存在模糊信息時(shí)的模糊可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的研究，但迄今為止研究進(jìn)展緩慢?？煽啃栽O(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容是可靠度的計(jì)算，存在模糊信息時(shí)的可靠度的計(jì)算也是模糊可靠性設(shè)計(jì)理論的一個(gè)關(guān)鍵所在，它是使模糊可靠性設(shè)計(jì)從理論走向?qū)嵱玫幕A(chǔ)。文獻(xiàn)[4-5]討論了結(jié)構(gòu)廣義強(qiáng)度的模糊可靠性的計(jì)算問題，文獻(xiàn)[6—7]通過引入模糊數(shù)最大集、最小集概念，給出模糊數(shù)右效用值、左效用值和總效用值的定義，提出模糊數(shù)的排序規(guī)則，然后分

5、別討論了第三種情況下隨機(jī)應(yīng)力模糊疲勞強(qiáng)度和隨機(jī)應(yīng)力模糊強(qiáng)度時(shí)模糊可靠性的計(jì)算理論。文獻(xiàn)[8一12]根據(jù)模糊可靠性計(jì)算理論，分別對(duì)普通圓柱蝸桿的傳動(dòng)、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)、圓柱螺旋彈簧、傳動(dòng)軸以及斜齒圓柱齒輪減速器進(jìn)行了模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。模糊可靠性計(jì)算問題最后也要轉(zhuǎn)化為常規(guī)可靠性優(yōu)化來(lái)進(jìn)行計(jì)算，但所用的手段多基于傳統(tǒng)的最優(yōu)化理論中優(yōu)化算法：如復(fù)合型法、懲罰函數(shù)法等，這些方法存在局部極值和對(duì)目標(biāo)函數(shù)的可微性有嚴(yán)格要求的苛刻條件，并且優(yōu)化結(jié)果與初始值有較大的相關(guān)性等難以克服的缺點(diǎn)，不能適應(yīng)許多情況下的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代化機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要以數(shù)學(xué)規(guī)劃為

6、核心，以計(jì)算機(jī)為工具，向著多變量、多目標(biāo)、高效率、高精度的方向發(fā)展，隨著智能理論的發(fā)展出現(xiàn)了許多新的智能計(jì)算方法，如模糊優(yōu)化、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)算等，這些新方法的優(yōu)越性能給機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展帶來(lái)了可能。將這些新的智能計(jì)算方法合理地應(yīng)用到機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有可能解決傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)存在的問題。1．2．2機(jī)車車輪踏面的優(yōu)化設(shè)計(jì)在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，輪軌間的踏面及其相互作用一直是研究的關(guān)鍵問題。一系列重要的因素，例如輪軌的磨損、機(jī)車的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)和安全性等，都受到這一踏面以及它們接觸區(qū)域特征的影響【13】。由于路況、軌道和機(jī)車載荷條件具有的多樣性和復(fù)雜性，機(jī)車車

7、輪踏面的優(yōu)化也一直是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)，尤其在我國(guó)，這方面的研究還是空白。傳統(tǒng)的解決方法是在給定的軌道上，依靠鐵路工作者的經(jīng)驗(yàn)，采用反復(fù)試驗(yàn)的辦法來(lái)修改車輪的踏面以取得比較好的接觸特征，不但成本高，而且效率低。針對(duì)車輪的踏面優(yōu)化這一設(shè)計(jì)問題，很多學(xué)者做了相關(guān)的研究工作，研究了各種不同的算法，取得了很多成果。Shevtsov等人lI4J引入基于曲面響應(yīng)的多點(diǎn)近似優(yōu)化方法來(lái)解決踏面的優(yōu)化問題，但設(shè)計(jì)變量數(shù)目較少，計(jì)算量大，影響了優(yōu)化精度；HamidJahed等人【I5J利用復(fù)合型法解決踏面優(yōu)化問題，3北京交通人學(xué)碩士學(xué)位論文雖然設(shè)計(jì)變量較少，但其換算