基于双轴式ug的救赎器的优化设计

基于双轴式ug的救赎器的优化设计

1优化设计过程项目优化设计包括根据具体情况建立符合要求的数学模型，选择合适的优化方法，并在程序解决两个方面的工作。一般步骤为：(1）建立工程优化设计的数学模型，选择正确的设计变量、目标函数和约束条件，并根据这些条件建立符合设计要求的数学模型；（2）选择合适的优化方法和计算程序，尽量选择可靠性好、收敛速度快、算法稳定性好以及对参数敏感性小的优化方法；（3）编写程序，上机调试和计算；（4）对优化结果进行分析比较，判断优化设计结果是否符合要求及其准确性，如不符合要求返回第一步，重新选择数学模型。为了节约材料、降低制造成本，优化设计以缓降器的体积最小为优化目标函数，在UG二次开发语言VC++的环境下实现的。如图1所示，缓降器采用NGW型行星传动方案，即固定内齿圈，钢丝绳跨绕在绳轮的轮槽内，绳轮与行星架制成一体，内齿圈与外壳制成一体，摩擦面设在内齿圈上，两个摩擦块沿着太阳轮周向分布装在太阳轮上，使其同太阳轮一起旋转并能沿径向移动沿径向甩出，与内齿圈摩擦形成制动力，从而自动调节下降速度，实现匀速下降，保证人落地时无冲击感，在救生逃生中，感觉缓降器的体积和质量仍较大，使用不变，需要优化设计。2优化数学模型的构建2.1缓降器体积的选择NGW型行星传动可以采用多种的优化目标作为目标函数，例如使传动外廓尺寸最小、体积最小或重量最轻、承载能力最高、传动功率最大等，而设计变量通常是基本几何参数和特性参数。缓降器体积由太阳轮、全部行星轮的体积之和、绳轮、主轴与齿圈的体积决定，因此选太阳轮、全部行星轮、绳轮与主轴的体积之和作为目标函数。最终建立的目标函数为f(x）=Vmin，将齿轮的体积近似地认为是齿轮分度圆所包含的面积和齿宽的乘积，因此太阳轮、全部行星轮、绳轮与主轴体积之和。2.2缓降器设计的影响因素要实现所设计的缓降器体积最小，其影响因素较多，设计方面参数主要有传动比、模数、齿宽和齿数等。传动比不但影响所设计的缓降器性能，而且直接影响到缓降器的动力特性与经济性，设计时要首先保证。根据目标函数和对缓降器的影响因素，最后选取9个设计变量，即：式中：Z1,Z2,Z3,m,B,x,d1,h,d2—太阳轮齿数、行星轮齿数、齿圈齿数、模数、太阳轮齿宽、太阳轮变位系数、绳轮直径、绳轮高度、主轴直径。2.3强制安装NGW型行星传动缓降器，可通过强度约束及其它约束来保证性能指标。约束条件的拟定，需要考虑实际问题的性能、结构、工艺等方面的条件。2.3.1运动比条件齿轮的齿数应该满足传动比要求。缓降器传动机构的传动比为i3H1=0.221，根据设计要求确定传动比约束条件为：2.3.2相邻的条件必须保证相邻两个行星轮互不相碰，并留有大于0.5倍模数的间隙，即行星轮齿顶圆半径之和小于其中心距，可表示为：2.3.3同心条件行星轮系若能正常运转，必须满足同心条件，即：2.3.4太阳轮和齿圈之间的装配为了保证各个行星轮都能够均匀的装入太阳轮和齿圈之间，行星轮的数目与各轮齿数之间应满足装配条件，即：对于NGW型行星传动外啮合，有条件5-7。2.3.5非螺纹加工不根切的最小变位系数满足：2.3.6重复率条件2.3.7不存在转移曲线干扰的情况下对于NGW型行星传动内啮合，有条件8-10。2.3.8不存在转移曲线干扰的情况下2.3.9不存在齿面重建干扰的情况下2.3.10.非径向干扰的先决条件2.3.1齿宽度的选取齿轮齿数的分配要满足配齿条件、传动比以及结构方案。太阳轮：13燮x1燮17行星轮：17燮x2燮21内齿圈：49燮x3燮56齿轮的模数：1燮x4燮2齿轮的宽度：齿宽应满足既能减小缓降器的重量，同时又能保证齿轮工作平稳的要求。齿宽太小，会使齿轮的工作压力过大，而且变位齿轮传动平稳的优点也会因齿宽的减小而削弱，在一定的数值范围内，加大齿宽，齿轮的承载能力增高，但这会增加缓降器的轴向尺寸，缓降器的重量增加，所以选择原则是在保证强度的条件下，应尽量选取较小的齿宽。齿轮的变位系数：为了避免根切、减小机构的尺寸和重量、改善齿轮副的磨损情况、提高其承载能力，变位系数应满足一定的条件。2.3.12.绳桥的直径和高度2.3.13轴的直径和强度轴的弯曲强度满足的约束条件为：3非线性规划设计变量的信号效率问题此缓降器设计的优化函数为受约束的多维优化非线性目标函数，9个设计变量，21个约束条件，因此优化问题可归结为具有等式与不等式约束的非线性规划问题，设计变量有整型和实型之分，又有连续型和离散型之分，是一个比较复杂的数学模型，故很难用作图或列表的形式来断定其最优解的情况。采用混合惩罚函数并调用Powell子程序法，对于离散设汁变量，在优化设计中视为连续量，求得连续量的优化结果后，再根据圆整或标准化，得到近似最优设汁方案，如表1所示。3.1混合惩罚函数法主要处理不连续时尽管所有设计问题几乎都是有约束的，但在实际应用中，经常将约束优化设计问题转化为无约束问题来求解。罚函数法（SUMT法）的基本思想就是把等式和不等式约束条件，经过适当定义的复合函数加到原目标函数上，从而取消了约束，转化为求解一系列的无约束问题。按照惩罚函数在优化过程中迭代点是否为可行点，又分为内点法、外点法以及混合法三种。由于内点法容易处理不等式约束优化设计问题，而外点法又容易处理等式约束优化设计问题，因而采用了混合惩罚函数法。在各种优化方法中，比较常用的是混合惩罚函数并调用Powell子程序法（即SUMT-Powell法），此种方法是利用共轭方向法可以加速收敛的性质所形成的一种直接搜索方法，也不须用对目标函数进行求导，因此，当目标函数的导数不连续时，应用这种方法也常常是很成功的。Powell子程序在计算上虽然稍微复杂一点，但它保证了对于非线性函数计算的可靠收敛性，此法不仅从理论上证明了对于正定二次型函数具有较高的收敛速度，而且计算实践证明，对于许多工程设计中多种多样的目标函数来说，也是很有效的。3.2缓降器传动机构的优化计算己知传动比为i3H1=0.221，负荷力为150kg的人或物体所受的重力，在初始条件X0=[Z1,Z2,Z3,m,B,x,d1,h,d2]=[15,19,53,1.5,10.5,0.12,53,21,12]下，对缓降器整个传动机构进行优化计算。3.2.1系统弹出优化设计界面进入UG主程序界面，运行六型缓降器最优化程序时，点击对话框中体积最优化设计选项，系统弹出优化设计界面，如图2所示。输入初始参数，运行即可得到优化结果，如图3所示。3.2.2缓降器优化设计利用MATLAB优化工具箱中的Fmincon函数进行优化，此函数可用于求解约束极小值的优化问题。根据建立的数学模型，编出目标函数与约束函数的子程序后，输入原数据，便可在计算机上寻优计算，输出最优设计参数。对缓降器整个传动机构进行优化计算，经圆整得到的优化结果与原参数和程序优化结果，如表2所示。由表2可见，UG和MATLAB中优化的结果相差不大，证明了程序的有效性，其最优值与常规设计结果相比较，体积分别减小为六型救生缓降器的91.7%、89.7%。4优化后的缓冲器生产线的功率分析从理论上验算优化后的齿轮强度。4.1内耦合h外啮合：σH1=1353.9MPa，[σH1]=1695.7MPa；内啮合：σH2=1253.3MPa，[σH2]=1695.7MPa。可见从理论上分析优化后的齿轮满足接触强度的要求。4.2[fps]的计算外啮合：σF1=335.7MPa，σF2=275.3MPa，[σF1]=[σF2]=1107.6MPa；内啮合：σ′F2=372.8MPa，σF3=238.33MPa，[σ′F2]=[σF3]=1107.7MPa。设计的齿轮满足弯曲强度的要求。5生物降温优化设计依据救生缓降器的设计要求，以缓降器的体积最小为目标函数，建立了缓降器优化设计的数学模型。优化后的结构可达到满足传动要求，实现减轻传动装置质量、节约材料、降低成本的目的，其结果符合实际应用的要求。设计使用两种方法进行了优化：（1）基于程序的，利用UG的二次开发语言VC++，编写了混合惩罚函数法的优化程序，建立了缓降器优化设计系统，利用此系统进行优化时，只需输入初始参数，系统将自动寻优算出优化结果；（2）运用MATLAB优化工具箱的Fmincon函数，根据建立好的数学模型，编出目标函数与约