基于智能优化方法的插装阀液压集成块设计文档

基于智能优化方法的插装阀液压集成块设计田树军基金项目：国家自然科学基金项目(50375023).Foundation item：Project supported by the National Science Foundation，China（No. 50375023）作者简介：田树军* (1951-)，男，教授，大连理工大学机械学院博士生导师，研究方向为液压系统CAD/CAM及动态特性仿真E-mail：，贾春强，张宏，刘万辉（大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024）摘要：为解决插装阀集成块设计中外部布局和内部布孔集成的组合优化问题，本文在深入分析插装阀结构特征及其集成块的设计规律基础上，给出了该问题的数学优化模型，并运用各种现代智能优化算法，构建了插装阀集成块智能优化设计系统。论述了插装阀集成块优化设计中外部元件布局、内部孔道连通设计、安全干涉校核等关键性技术问题，并给出了问题的解决方案。最后，通过工程实例，验证了该方法的有效性和可行性。关键词：插装阀集成块；优化设计；布局布孔设计；智能优化分类号：TH122 TP273Design of Cartridge Valve Blocks Based on Intelligent Optimal MethodTIAN Shujun，JIA Chunqiang，ZHANG Hong，LIU Wanhui(Schof Mechanical Eng，Dalian Univof Tech，Dalian 116024，China)Abstract：To solve the combinatorial optimization problem of outer layout and inner connection integrated schemes in the design of cartridge valve blocks, the optimizing model was proposed by analyzing the structural features and design rules of cartridge valve blocks, and a scheme of automatically design systems was presented based on intelligent optimization approaches. And key technologies, including outer layout of valves, inner connection design of holes, channel checking et al, were discussed and resolutions to these problems were provided. An example was given to testify the effectiveness and feasibility of the method.Key words：cartridge valve blocks；optimal design；layout and connection design；intelligent optimization0引言随着插装阀控制技术日益广泛的应用，插装阀液压集成块的设计问题已愈加受到人们的关注。由于液压系统组成的非标准性、插装阀元件结构的特殊性和集成块内部孔道连通的复杂性，采用人工设计或一般的计算机辅助设计方法不仅颇费工时且容易出错。目前，国内外所见的各种液压集成块CAD研究1-4，主要集中在原理图绘制、孔道校核及二维工程图输出等方面，很少涉及到集成块外部元件布局和内部孔道布局集成方案的自动优化设计问题，且大多数研究都集中在板式阀，针对插装阀这一复杂阶梯孔系的研究则较少见。液压集成块设计的核心是其外部元件布局和内部孔道布局集成方案的自动优化设计，是在外形干涉和孔道连通校核支撑下的元件三维布局和孔道连通方案的自动寻优5。这是一种复杂的带性能约束的立体空间布局问题，在数学上可以归结为组合最优化。智能优化算法是通过模拟或揭示某些自然现象或过程而发展起来的，是具有智能特征的算法，包括遗传算法、模拟退火算法、人工神经网络、混沌、进化规划、禁忌搜索及其混合优化策略等。其思想和内容涉及数学、物理学、生物进化、人工智能、神经科学和统计力学等方面，因其各自独特的优点和机制，为解决带性能约束的布局问题提供了新的思路和手段6。本文深入分析了插装阀的结构特征及插装阀集成块布局设计问题的复杂性，结合现代智能优化算法在布局优化设计中的应用，提出一种基于智能优化理论的插装阀集成块CAD优化设计方法。以系统原理图上的元件及油口连通信息为输入，集成块最优布局布孔方案为输出，实现实时元件外形干涉校核和孔道安全校核下的插装阀液压集成块自动优化设计。1插装阀集成块设计问题及其数学优化模型1.1插装阀集成块设计问题描述立体空间中的约束布局问题是工程应用领域中的一个热点，目前相关研究大都集中在三维装填布局方面。集成块的布局布孔问题在一定程度上比三维装填布局问题更加复杂7。同时，相对于板式阀类集成块，由于插装阀结构的特殊性使得插装阀集成块的设计问题显得更加复杂。主要表现在以下方面：集成块优化设计不仅有内部孔道的装填布局问题，还有在长方体外表面液压阀的安装布局问题，因此集成块布局布孔方案优劣的度量，不仅要考虑液压阀在集成块上的布局方案，还需要考核在连通计算生成布孔方案后的综合评价指标。插装阀特殊的座式结构、阶梯孔的侧向连接及复杂的控制油道，很大程度上增加了孔道连通和校核的复杂性。由于插装阀采用了阻力阀口相互独立的分离结构，使得系统的元件数目大大增加。一般来说，一个普通板式阀的控制功能需用两个或四个甚至更多的插装阀才能实现，大大增加了集成块布局设计的工作量。1.2插装阀液压集成块优化设计数学模型 本文全面研究插装阀集成块零部件的结构特征和设计、制造信息组成规律，分析基于长方体的立体布局的空间关系，总结工程实际中的设计经验和准则，应用集值映射的基本理论，抽象出适合在计算机上实现数字化设计的三维空间布局的显式表达，并在此基础上构造出一种适合进行集成块多目标优化的数学模型。1.2.1 设计变量液压集成块布局布孔优化设计问题所涉及的变量有： （1）其中：为集成块，分别为集成块的长、宽、高；表示需布置的阀，为阀的个数；为单线网中需连通的孔道；是单线网中需连通的孔道个数，表示两端线网，表示多端线网；为该线网中设计的工艺孔，表示工艺孔数目；和表示阀、孔道、工艺孔的所在构造基面； 分别表示阀在集成块上的安装基点和角度，；分别为端孔和工艺孔在集成块上相对，与有直接对应关系。分别为连通孔道和工艺孔的半径与孔深，与阀上对应的孔道半径相同；为所有线网的布线顺序，为需连通线网的个数。1.2.2 目标函数液压集成块布局布孔设计问题的目标函数为：最小体积设计：集成块体积最小 （2）最短路径设计：包括单线网路径最短和所有连通线网总路径最短 （3）最少孔道设计：包括单线网工艺孔个数和所有连通线网工艺孔总数最少 （4）极大极小设计：单线网最大工艺孔数目最小 （5）由上述分析可知，集成块布局布孔优化设计是一个多目标函数的优化问题。1.2.3 约束条件总结工程实际中的设计经验和准则，集成块设计要综合考虑如下约束条件：液压阀底板一定在集成块的安装面上；考虑液压阀的安装习惯和操作方便性；液压阀有足够的安装和操作空间；液压元件之间没有外形干涉；孔道之间满足通断品质要求；所有孔与集成块的各面满足危险壁厚要求；单个孔道深度在可加工范围之内。2插装阀集成块布局布孔优化设计关键技术研究本文研究的插装阀集成块CAD优化设计，是以系统原理图上的孔道连通信息和工程数据库中液压元件的相关信息为基础，运用智能优化方法，实现插装阀集成块外部元件布局和内部孔道布置集成方案的最优化设计。其总体框架如图1所示。图1插装阀集成块CAD系统总体框架针对各种实际工程问题，研究计算智能算法的实现技术是当今的热门题目。融合了各种优化方法的思想并与专门的知识型启发算法相结合的混合优化策略是提高算法运行效率和求解质量的一个有效手段。为解决液压集成块自动优化设计这一复杂问题，本文采用启发式算法、混沌神经网络、模拟退火算法等优化策略，以达到提高计算效率和求解质量的目的。2.1基于功能块的插装阀集成块分层设计由插装阀的结构及工作原理可知，每个插装阀系统都是由若干个基本功率回路组成。为此，可将插装阀系统分解成若干基本功率回路，并把每一个基本功率回路作为一个整体参与到集成块的CAD设计中。总结目前插装阀集成块的常规设计方法及规律，本文引入功能块的概念，从系统确定的基本功率回路或系统要求的特殊回路出发，将一个或若干个基本功率回路集中在集成块某一个虚拟区域内实现，并确定元件的安装基面和布局坐标，从而得到该回路的布局功能块。这不仅可以降低集成块元件布局设计的难度，且符合实际工况的设计需求。同时，由于基本回路在不同系统中的通用性，可建立一个开放式数据库，将功能块存于其中，随时进行调用，既避免了重复劳动，又可显著提高设计速度和设计规范。在功能块设计的基础上，又引入分层设计思想，将整个集成块分成若干虚拟的层，每一虚拟层都由一个或多个功能块组成。通过对各功能块的有机组合形成层，最后由层的组合形成一个层次鲜明的整体式液压集成块。由此可以确定集成块上所有元件的安装面和布置坐标。2.2基于混沌神经网络的元件角度布局设计集成块中元件的布局涉及到的很多变量，包括元件安装基面、安装位置及安装角度。根据上述的分层设计，可确定元件的安装基面和安装位置，而安装角度由于每个插装元件盖板和控制油路的不一致性无法通过功能块给出。元件角度布局的集合为angle0，90，180，270，则n个元件就有n4种布局方案，显然，该问题属于组合优化的NP难题，随着元件数目的增多，问题的求解将变得更为复杂。自从Hopfield提出具有反馈神经网络模型并较成功的解决TSP问题以来，人们看到了神经网络大规模集体计算能力的可行性，并成功地应用于各种组合优化问题的求解中。然而常规神经网络存在局部最小问题，在许多场合仅能得到次优解。混沌神经网络由于其混沌动力学特性，使得网络易于摆脱局部最小，从而为组合优化问题求解的全局寻优提供了新的手段8-10。本文尝试利用一种具有自组织特性和克服陷入局部极小能力的基于退火控制的混沌神经网络11来解决元件角度布局问题。由于每个元件的安装角度相互独立，没有关联。因此，可以使用4n个神经元的网络，4行表示4个元件布局角度，n列表示n个元件。式（6）第一项为列约束，表示在网络达到稳定状态时，要求每一列中只能有一个神经元输出为1，其余神经元输出为0，即每一个布局元件只能有一个安装角度，此项为0；第二项为全局约束，表示所有神经元中输出值为1的神经元个数必须为n，确保仅使用n个待布局元件，此项也为0。即当集成块满足角度布局约束时E为0。根据上述布局目标，构造如下能量函数： （6）式中，表示第x行i列的神经元输出，A和B为正的权值，本文取为A=B=0.5。2.3基于顺序优化的集成块布孔设计集成块孔道连通优化设计是在实时孔道校核下的基于单线网连通和多线网连通的总体优化设计，是一个带约束的多目标函数的优化问题，本文采用线性加权法构成一个评价函数，然后求解该评价函数的最优解。1）基于连通顺序优化的多端单线网连通设计多端单线网的三维布孔问题，本文在基于规则的启发式算法1连通两端线网的基础上，借鉴集成电路布图理论中的多端线网布线策略12，将多端线网分解成一系列两端子线网，分别对它们进行连通，最后完成整个多端线网的连通。同时，为达到孔道连通的最优化设计，还对所有两端线网的连通顺序进行了优化，采用启发式策略对系列两端线网进行排序，总是优先连通工艺孔最少和连通路径最短的两端线网，最终实现多端线网的孔道连通优化设计。2）基于布线顺序优化的多线网孔道网络优化设计上述单线网连通算法可以实现满足连通约束和加工约束条件的单线网最优连通设计。但当有多条线网需要连通时，若按照某一既定的顺序对一条条线网进行连通设计，很有可能因为已经连通的线网对后来需连通的线网产生干涉，导致后者无法布通，或者出现即使布通但不是最短路径的情况。此时，布线顺序就成为集成块孔道网络设计的一个重要因素。要想构造多线网孔道网络布孔问题的全局最优解将会导致对解空间的完全枚举，这是一个NP组合优化问题。模拟退火算法6是一种适合解大规模组合优化问题，特别是解NP完全问题的通用有效近似算法。本文以实时干涉校核下的单线网孔道连通算法为基础，以覆盖线网所有端点的最小长方体周长大小顺序来构造初始解，在线网数小于5时用完全枚举算法，多于5时用SAA算法，以集成块孔道路径总长和工艺孔总数线性加权之和为评价目标，最终得到一个布孔优化方案。2.4孔道校核、元件外形干涉校核和体积缩减2.4.1孔道校核液压集成块的孔道校核是指孔道之间以及孔道与各面之间的空间位置关系是否满足安全壁厚要求，目前其算法已比较成熟。但本文的孔道校核需在孔道连通过程中亦即在优化过程中实时反复多次进行。本着快速、简便的原则，采用基于规则的逻辑判断方法，将孔道简化为一个包括圆锥顶角深度的包络体圆柱体（或包络阶梯圆柱阶梯孔），然后根据它们之间的空间关系进行逻辑判断。2.4.2外形干涉校核集成块的元件外形干涉校核是在满足约束条件和的条件下保证元件之间没有外形干涉。为提高设计效率，本文用一个长方体来近似包络阀类元件的几何外形以及安装和操作空间，将问题转化为三维空间中的长方体干涉检查问题，符合工程实际情况，又大大简化了计算。2.4.3体积缩减为尽可能节省材料和加工成本，采用一种简单有效的体积削减策略对优化后的集成块设计方案进行最小体积设计。该算法采取的基本思路是：以 B（LB，WB，HB）为设计变量，依次求出集成块的每个面的四个邻面上最近的阀底板与该面上的最长螺纹孔之间的距离，即得可削减长度，在保证阀外形不干涉的情况下，从集成块中减去相应空间。2.5目标评价函数及约束条件的处理集成块布局布孔优化设计是一个多目标函数的优化问题，在单线网孔道连通的启发式算法中，可以满足目标函数式3.a、4.a和5的要求，这样，集成块总体优化的目标就只剩下块体体积（式1）、所有连通线网总路径最短（式3.b）和所有连通线网工艺孔总数最少（式4.b），结合2.2所述的元件角度布局约束，采用线性加权方法写成下面的目标函数式： （7）式中，1、2和3分别为体积、连通线网路径总长G和工艺孔总数H的权值，A0和B0为正的权值。在这个目标函数式中，既有对布局结果的考核参数W和E，又有对连通结果的衡量参数G和H，集中放映了集成块布局布孔集成优化设计方案的综合评价。针对集成块问题及约束条件的特征，约束条件和在功能块设计中得以保证，约束条件和在外形干涉校核程序中实现，孔道实时干涉校核算法保证孔道满足约束条件、和。3设计实例为验证上述方法的正确性和可行性，笔者基于智能优化理论，以Visual C+6.0为开发工具，用ObjectARX在MDT环境下从底层自主开发设计了插装阀液压集成块CAD系统CVHMB。主要包括元件及连通信息输入、布局布孔优化设计和优化结果输出。下面以某插装阀液压系统为例进行验证，如图2所示，该系统包括4个控制盖板、4个管接头和3个控制元件组成，共有7条线网需要连通。式7）所示目标函数式中的权值1和2根据经验分别取为1和100，A0=B0=1。同时由原理图可以看出，该系统仅由一四通块构成，根据其主油孔之间的连通结构选择合适的功能块确定主孔的坐标和所在安装面。在输入连通信息和元件信息后，开始计算，得到如下优化结果：共有46个孔道，其中22个通油孔，16个螺纹连接固定孔和12个工艺孔，集成块的各边长分别为200mm，220mm，128mm。设计结果的孔道网络桁架结构图和集成块立体装配图如图3所示。图2 插装阀液压系统原理图 a) 孔道网络桁架结构图 b) 集成块立体装配图图3 插装阀集成块设计实例4结论本文在全面分析插装阀集成块的结构特征和设计规律基础上，将各种智能优化方法引入到插装阀集成块设计中，成功解决了插装阀集成块布局布孔自动优化设计问题。给出了基于智能优化理论的插装阀集成块CAD系统CVHMB的总体方案，讨论了实现该系统的若干关键技术，并以工程设计实例验证了该系统的可行性和有效性。结果表明，本文研究的插装阀液压集成块CAD系统能快速、准确地生成集成块布局布孔优化方案，为提高集成块设计水平及其自动化程度提供有力的技术保障。该问题进一步的研究需要将集成块结构优化设计与孔道网络流场性能仿真结合为一体，从而达到集成块结构优化设计在更高性能品质基础上实施的目的。参考文献：1 LI LiStuty on theory and method of intelligent optimal design for hydraulic manifold blockDDalian：Dalian university of technology，2002（in Chinese）李利液压集成块智能优化设计理论与方法研究博士论文大连：大连理工大学，20022 XIE L，TIAN S JResearch on CAD/CAM for hydraulic manifold blocksJChinese Journal of Mechanical Engineering （English Edition），1994，7（4）: 268-2743 WONG P K，CHUEN C W，LEUNG T PCad Of hydraulic manifold blocks using an object-oriented approachJ. 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