三轴标准振动台簧片解耦结构遗传算法多参数优化设计.pdf
《三轴标准振动台簧片解耦结构遗传算法多参数优化设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三轴标准振动台簧片解耦结构遗传算法多参数优化设计.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、May2023Chinese Journal of Scientific Instrument2023年5月Vol.44 No.5第44卷第5期表仪器仪报学D0I:10.19650/ki.cjsi.J2311037三轴标准振动台簧片解耦结构遗传算法多参数优化设计*张旭飞1 2,张锋阳,刘欣超,马杰(1.太原理工大学机械与运载工程学院太原030024;2.高端工程机械智能制造国家重点实验室徐州221004)摘要:针对三轴标准振动台簧片解耦结构低固有频率及非线性特性导致的工作频率范围受限及输出振动波形严重失真等问题,首先基于确定的解耦结构关键参数及简化组合,通过Ansys模态和瞬态动力学分析,得到
2、相应参数变化时三轴标准振动台的固有频率和输出波形失真特性。进一步,采用多元非线性回归法建立准确表征固有频率、失真度与关键结构参数间非线性变化关系的回归方程,并基于NSGA-I遗传算法对簧片解耦结构进行多参数优化,求解得到前3 阶固有频率、弯曲振型固有频率最大可分别提升1 2 3.9 5%、1 6 6.8 5%及失真度最大可降低3 6.8 3%的最佳簧片结构参数。最后,实验测试表明最优簧片解耦结构对应的三轴标准振动台在固有频率及输出波形失真度两方面性能均得到提升,验证了簧片解耦结构遗传算法多参数优化设计的有效性,为其他多维柔性结构优化设计提供了参考。关键词:三轴标准振动台;簧片解耦结构;遗传算法
3、;多参数优化中图分类号:TH71文献标识码:A国家标准学科分类代码:46 0.40Multi-parameter optimization design for leaf-spring decoupling structure oftri-axial standard vibrator based on the genetic algorithmZhang Xufeil-?2,Zhang Fengyang,Liu Xinchao,Ma Jie(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Taiyuan University of Techno
4、logy,Taiyuan 030024,China;2.State Key Lab of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery,Xuzhou 221004,China)Abstract:There are the problems of limited working frequency range and serious output vibration waveform distortion of a tri-axialstandard vibrator,which are affected by the
5、low natural frequency and nonlinear characteristics of the leaf-spring decoupling structure.Firstly,the natural frequency and output waveform distortion characteristics of the tri-axial standard vibrator under correspondingchanging parameters are obtained through ANSYS modal and transient dynamic an
6、alyses based on the determined key parametersimplified combinations of the decoupling structure.In further,a multi-element nonlinear regression method is used to establish theregression equations that can accurately represent the nonlinear changing relationships between the natural frequency,distort
7、ion degreeand key structural parameters.A multi-parameter optimization of the leaf-spring decoupling structure is implemented based on the NSGA-II genetic algorithm.The optimal leaf-spring structural parameters are obtained by increasing the first 3 natural frequencies and bendingmode natural freque
8、ncies by 123.95%and 166.85%,respectively.The distortion is reduced by 36.83%.Finally,the experimental testshows that the performance of the tri-axial standard vibrator corresponding to the optimal leaf-spring decoupling structure has beenimproved in both natural frequency and output waveform distort
9、ion,which evaluate the effectiveness of the multi-parameter optimizationdesign of the leaf-spring decoupling structure based on the proposed genetic algorithm method.It provides a reference for the optimizationdesign of other multi-dimensional flexible structures.Keywords:tri-axial standard vibrator
10、;leaf-spring decoupling structure;genetic algorithm;multi-parameter optimization收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 9Received Date:2023-02-09*基金项目:国家自然科学基金(51 8 0 53 6 0)、山西省基础研究计划(2 0 2 2 0 3 0 2 1 2 1 1 1 52)项目资助表168仪仪第44卷报学器0引言随着智能化技术在工业生产生活中的发展,三轴及多轴振动传感器在振动检测、故障诊断2-3 、地震监测4、惯性导航5-6 等领域应用越来越广泛。为保证振动传感器的检测精度,基于振动
11、校准装置和相关技术准确获取其灵敏度等关键参数至关重要7 。一般情况下,为保证校准精度,振动校准过程需由标准振动台产生设定频率和幅值下波形失真度低于2%的振动激励信号1 8-1 0 1对用于三轴振动传感器校准的三轴标准振动台而言,由于各轴间耦合作用的影响,其输出三轴振动信号很难满足设定的准确幅值和低波形失真要求。特别地,当三轴标准振动台用于低频三轴振动传感器校准时,通常需增大其位移行程来提高信噪比,但随着行程的增加,轴间耦合对输出信号精度的影响会更加明显。为此,需针对大行程三轴标准振动台,设计性能良好的解耦装置或控制系统,进而实现低频三轴振动信号的高精度解耦输出。针对低频三轴标准振动台解耦结构优
12、化设计领域,国内外学者前期开展了一些研究工作。Umeda 等1 2 开发的低频三轴振动校准系统使用静压滑动轴承作为解耦装置,实现TS-1030S型三轴振动台输出运动解耦。Klaus等1 3 设计的低频三轴振动激励系统采用三个正交液压轴承解耦单元实现三轴振动信号的解耦输出。刘志华等【1 4 和Liu等1 5 基于电动激励器设计了用于绝对法振动校准的低频三轴标准振动台,通过优化设计空气静压轴承解耦结构,实现三轴振动输出解耦。总体上,传统低频三轴振动解耦装置大多基于空气轴承、液压轴承等实现运动解耦,通常存在系统组成复杂、成本高及维护困难等问题。为此He等1 6 在结构简单、体积小和易制造的柔性结构1
13、 7 基础上,设计了簧片式解耦装置,由分别安装于三轴标准振动台各运动轴的三套解耦结构组成,基于各解耦结构中两组正交簧片在弯曲变形方向的极小刚度特性,实现对与其安装轴垂直的另两轴运动的柔性导向,进而完成运动解耦。但是,为提升运动柔性导向性能,解耦结构簧片通常设计为模态频率较低的薄壁结构,影响高频运动的稳定性,进而限制三轴振动台工作频率范围的提升。此外,簧片结构弯曲刚度非线性同样会影响三轴振动台输出振动信号的波形失真及解耦精度1 8 。近年来,针对柔性解耦结构特性优化设计领域,国内外学者主要开展了基于有限元分析提升固有频率1 9 并降低输出运动耦合2 0 等方面的研究工作。针对输出波形失真问题,主
14、要通过构建闭环控制系统,实现对参数非线性的有效补偿和反馈控制2 1-2 。总体而言,传统空气轴承等解耦结构受限于其复杂结构、高成本、难维护等问题,通常仅在构建各级、各类标准系统中的低频三轴振动台中应用,而简化的簧片柔性解耦结构在三轴标准振动台应用中仍存在固有频率低导致工作频率范围受限及非线性特性影响输出波形失真等问题。为此本文首先基于正交试验设计原理,确定簧片式三轴标准振动台解耦结构固有频率及非线性特性的关键影响参数优化范围。然后,通过有限元动态特性仿真,分别建立表征三轴标准振动台固有频率及输出波形失真度等待优化目标与解耦结构关键参数间非线性变化关系的回归方程,进而采用非支配排序遗传算法,实现
15、对满足最大固有频率和最小输出波形失真要求的簧片解耦结构关键参数多目标寻优。最后,实验测试不同簧片结构参数对应的三轴标准振动台相应的固有频率及输出波形失真特性,验证提出的优化方案的有效性。1:簧片式三轴标准振动台为实现簧片式三轴标准振动台解耦结构的优化设计,需首先分析其结构组成及解耦工作原理。簧片式三轴标准振动台简化组成结构如图1 所示,三套簧片解耦结构分别将沿xyz这3 个轴向设置的单轴激振器与用于产生三轴振动信号的三轴运动平台连接。各轴簧片解耦结构均包括两组相互正交的柔性簧片和一个连接件,每组柔性簧片分别包含相互平行的两个簧片。连接件将两组簧片正交连接,并保证其平面分别沿与其安装轴垂直的其余
16、两轴方向以x轴簧片解耦结构为例,如图1 所示,由于其内、外部簧片沿x轴呈现高刚度特性,x轴激振器产生的振动信号可准确传递到三轴运动平台。同时,y、z 轴外部簧片以极小刚度的弯曲变形对三轴运动平台沿x轴的运动进行柔性导向,进而实现三轴运动平台x轴振动的解耦输出。同样地,簧片式三轴标准振动台沿y、z 轴也可分别通过其他簧片结构作用实现振动解耦输出。基于此,当3 个单轴激振器同步输出振动信号时,3 组簧片解耦结构共同作用即可实现三轴标准振动台输出相互解耦的三轴振动信号X轴激振器轴工轴内部簧片簧片文轴连接件解耦轴外部簧片结构三轴运动平台少轴V车轴外部簧片飞轴激振器簧片y轴连接件2轴内部簧片2轴解耦簧片
17、结构y轴内部簧片轴连接件解耦轴激振器2轴外部簧片结构图1簧片式三轴标准振动台简化结构Fig.1SSimplified structure of the leaf-spring-typetri-axial standard vibrator169第5期张旭飞等:三轴标准振动台解耦结构遗传算法多参数优化设计为提升簧片解耦结构的解耦性能,选用具有良好弹性及耐疲劳性的铍青铜作为簧片材料,连接件及其余固定用零件选用具有一定强度且质量轻的AL6061。如图2所示,解耦簧片通常设计为具有一定长度的薄壁结构,以保证其沿弯曲方向具有较小的刚度非线性特性及较好的柔性导向性能,进而有效提升三轴标准振动台的输出振动波
18、形精度。但是,长且薄的簧片结构会导致相应的解耦结构沿其安装轴向具有低固有频率特性,严重影响该轴向振动的传递精度及稳定性。因此需合理布局簧片解耦结构总长l、簧片厚度h、长度l、宽度b及连接件厚度l,等关键尺寸参数,以提升簧片式三轴标准振动台固有频率的同时,保证输出三轴振动信号具有较好的波形精度。此外,考虑到选用的单轴激振器产品中起弹性回复作用的圆簧片结构已进行优化设计,单轴激振器可产生稳定的低失真振动输出信号,圆簧片对三轴标准振动台输出振动信号精度及稳定性的影响远小于解耦簧片。为简化分析,后续参数优化过程忽略圆簧片结构的影响,仅对解耦簧片相关尺寸进行分析。图2簧片解耦结构Fig.2Leaf-sp
19、ring decoupling structure2基于Ansys的模态及瞬态动力学分析为实现对簧片解耦结构的优化设计,需在关键结构参数简化组合基础上,基于Ansys模态和瞬态动力学分析,得到相应参数变化时簧片式三轴标准振动台的固有频率和输出波形失真特性。2.1基于正交设计的关键参数组合简化受限于三轴运动平台和各单轴激振器间的安装空间位置,簧片解耦结构总长1 为定值,连接件厚度随簧片长度不同产生相应变化。基于此,针对簧片解耦结构的优化过程将簧片长度l、宽度6 和厚度h等关键参数作为设计变量。为避免连接件对优化设计过程的影响,需保证其具有足够高的固有频率。因此,簧片尺寸参数需在小范围内变化,进而
20、保证连接件厚度及宽度尺寸在合理范围。基于簧片式三轴标准振动台现有结构参数,各设计变量在小变化范围内选取,长度l,的具体数值为7 8、79、8 0、8 1 m m,宽度b的具体数值为2 2.5、2 5.0、2 7.5、30.0mm,厚度h的具体数值为0.4、0.6、0.8、1.0 mm。由于选取的3 个设计变量各有4个变化数值,原则上针对簧片解耦结构的优化过程需覆盖6 4种不同参数组合。为提升优化过程效率,基于可高效实现多变量数值均匀搭配的正交试验设计原理2 3 ,优化选取得到1 6 种设计变量组合如表1 所示,作为后续簧片解耦结构仿真分析及优化设计过程中的关键参数变化范围。表1 不同设计变量组
21、合的模态及瞬态动力学仿真结果Table 1 Modal and transient dynamic simulation results for different design variable combinations变量组设计变量组合/mm前3 阶固有频率/Hz弯曲振型对应的3 阶固有频率/Hz三轴振动波形失真度/%合序号6hfJ.f2f2f2TT,T17822.50.410.0188.04378.339.432.99931.80730.2204.434.424.4727825.00.615.0109.702.210.420 060.03656.81444.8657.387.267.36
22、37827.50.819.90811.538 012.774087.67884.78180.9486.766.676.7347830.01.023.30113.154 014.802 0122.890119.530112.6504.614.874.5557922.50.614.3899.534910.169058.38454.47344.9067.147.067.1467925.00.410.2748.16978.474934.50733.39931.7624.664.634.6977927.51.022.90512.945 014.5010119.280116.020109.6604.604
23、.674.6787930.00.820.35611.736 013.043090.44787.97584.2466.256.176.2398022.50.818.52511.046 012.060 082.65579.33976.0306.757.166.84108025.01.022.37812.693014.1380115.680112.580106.9005.045.435.18118027.50.410.5088.282.88.597 035.96034.93533.2644.824.794.84128030.00.615.82210.027010.084064.42361.31460
24、.1087.287.157.31138122.51.020.97012.064 013.313 0105.62095.90492.8435.195.465.31148125.00.818.30210.978 012.004081.03975.03177.7926.716.656.71158127.50.614.4609.613410.269 059.09055.32845.2257.036.967.02168130.00.410.1778.196 88.481535.29834.05532.6844.614.574.62170表仪仪器报学第44卷2.2模态、瞬态动力学仿真及极差分析为准确评估簧
25、片式三轴标准振动台的固有频率及输出振动波形失真特性,基于表1 中1 6 种不同参数组合的簧片解耦结构建立相应的三轴标准振动台仿真模型。考虑到单轴激振器的基本工作原理是通电动圈在气隙磁场及起弹性回复作用的圆簧片共同作用下输出振动激励信号,为简化仿真过程,将单轴激振器模型等效为具有同等质量的运动体与圆簧片共同构成的振动系统,进而基于图1 结构在三维建模软件中建立簧片式三轴标准振动台的简化模型。进一步,将该模型导人Ansys进行网格划分后,得到簧片式三轴标准振动台的简化仿真模型如图3 所示文轴运动体文轴圆簧片2轴圆簧片外圈区轴运动体艺轴圆簧片轴圆簧片外圈义轴圆簧片义轴运动体少轴圆簧片外圈图3简化仿真
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 标准 振动 簧片 结构 遗传 算法 参数 优化 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。