一種螺旋油楔軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及軸承設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種螺旋油楔軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法采用基于求Navier-Stokes方程的油膜特性計(jì)算方法，計(jì)算螺旋油楔軸承的油膜特性，采用微型多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行軸承結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在優(yōu)化過程中通過構(gòu)建徑向基函數(shù)代理模型進(jìn)行計(jì)算，該方法的具體步驟如下：建立螺旋油楔軸承多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采樣；構(gòu)造徑向基函數(shù)代理模型；評(píng)價(jià)代理模型精度；采用微型多目標(biāo)遺傳算法求解多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題；獲得最優(yōu)妥協(xié)解。本發(fā)明適用于螺旋油楔軸承的多目標(biāo)工程優(yōu)化問題，具有較高的全局優(yōu)化能力，可以有效地提升優(yōu)化效率，提高算法的求解效率和計(jì)算精度，計(jì)算耗時(shí)少。
【專利說明】一種螺旋油楔軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及軸承設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種螺旋油楔軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 螺旋油楔軸承是一種三油楔動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承，該軸承有三個(gè)斜置的圓弧型油腔， 三個(gè)油腔均勻分布。螺旋油楔軸承的油腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于軸承性能指標(biāo) 如剛度、溫升等，往往相互沖突，因此為了設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的螺旋油楔軸承，有必要對其進(jìn) 行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0003] 目前，現(xiàn)有的螺旋油楔軸承的研究包括各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承性能的影響，但分析 的參數(shù)并不全面，現(xiàn)有技術(shù)對動(dòng)靜壓軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般采用復(fù)合形法、梯度法等傳統(tǒng)優(yōu) 化方法，將梯度法尋優(yōu)應(yīng)用于普通的徑向滑動(dòng)軸承，在計(jì)算軸承油膜特性時(shí)，采用聯(lián)立雷諾 方程和粘溫方程求解的方法，全局尋優(yōu)能力尚有不足。現(xiàn)有專利"一種滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì) 方法"（專利申請?zhí)枺?01310014836. 2)，此專利采用矩形油腔動(dòng)靜壓軸承的計(jì)算方法，未涉 及螺旋油楔動(dòng)靜壓軸承，螺旋油楔動(dòng)靜壓軸承油腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此專利的優(yōu)化方法為梯度法， 采用求解雷諾方程的方法假設(shè)條件較多，精度尚不能滿足需要；此專利采用流體力學(xué)模型 進(jìn)行油膜特性計(jì)算，計(jì)算效率較低、耗時(shí)長。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明為了解決螺旋油楔軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)全局優(yōu)化能力 不足的缺陷，同時(shí)為了克服現(xiàn)有技術(shù)中求解雷諾方程的假設(shè)條件較多所導(dǎo)致的計(jì)算精度尚 不能滿足需要的問題，而提供一種通過大幅度減少遺傳算法中進(jìn)化種群中個(gè)體數(shù)來提高算 法的求解效率，適用于多目標(biāo)工程優(yōu)化問題，具有較高的全局優(yōu)化能力，可以有效地提升優(yōu) 化效率，更加準(zhǔn)確地對軸承油膜特性進(jìn)行了計(jì)算，提高計(jì)算精度，計(jì)算耗時(shí)少的螺旋油楔軸 承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種螺旋油楔軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法采用基于求Navier-Stokes方 程的油膜特性計(jì)算方法，計(jì)算螺旋油楔軸承的油膜特性，采用微型多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行軸 承結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在優(yōu)化過程中通過構(gòu)建徑向基函數(shù)代理模型代替計(jì)算耗時(shí)的 仿真模型進(jìn)行計(jì)算，大大提高了計(jì)算效率，該方法的具體步驟如下：
[0007] 步驟1 :建立螺旋油楔軸承多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型如式（1) 所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種螺旋油楔軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：該方法采用基于求 Navier-Stokes方程的油膜特性計(jì)算方法，計(jì)算螺旋油楔軸承的油膜特性，采用微型多目標(biāo) 遺傳算法進(jìn)行軸承結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在優(yōu)化過程中通過構(gòu)建徑向基函數(shù)代理模型 進(jìn)行計(jì)算，該方法的具體步驟如下： 步驟1 :建立螺旋油楔軸承多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型如式（1)所 示：
其中，優(yōu)化目標(biāo)f(x)為軸承性能指標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)，如剛度、溫升，m為其總個(gè)數(shù)，g(x)和 h (X)分別表示優(yōu)化中不等式和等式約束函數(shù)，參數(shù)p、q則分別表示優(yōu)化問題中這些函數(shù)的 個(gè)數(shù)，X = [Xl，. . .，χη]τ表示優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，為待優(yōu)化的軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)，如軸承半徑間隙、封 油邊長度、螺旋角、油腔包角、油腔深度，η為其總個(gè)數(shù)，χ (υ)和χα)分別表示優(yōu)化變量的上、 下界，以上的優(yōu)化目標(biāo)、約束、優(yōu)化設(shè)計(jì)變量及其搜索域均根據(jù)具體的軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)問題來 確定； 步驟2 :實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采樣，采用拉丁超立方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采樣得到樣本點(diǎn)和測試點(diǎn)， 并根據(jù)流體力學(xué)仿真計(jì)算模型計(jì)算出樣本點(diǎn)和測試點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值； 步驟3 :構(gòu)造徑向基函數(shù)代理模型，徑向基函數(shù)代理模型基本形式如式（2)所示：
將獲得的權(quán)系數(shù)帶入式（2)，則得到徑向基函數(shù)代理模型表達(dá)式； 步驟4 :評(píng)價(jià)代理模型精度，設(shè)定代理模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算代理模型在測試點(diǎn)處的 響應(yīng)值及其精度，若沒有達(dá)到精度準(zhǔn)則，則更新樣本點(diǎn)，重新構(gòu)建代理模型，所采用的測試 點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)如式（5)所示：
式中，i分別是在測試點(diǎn)處仿真計(jì)算模型的響應(yīng)值和平均值、以及代理模型 的響應(yīng)值，nf是測試點(diǎn)的個(gè)數(shù)，R2表示測試點(diǎn)處仿真計(jì)算模型的響應(yīng)值和代理模型的響應(yīng) 值的差異程度，R2越接近于1時(shí)，代理模型的精度越高； 步驟5 :采用微型多目標(biāo)遺傳算法求解式（1)所述的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，首先，隨機(jī) 產(chǎn)生大小為N的初始種群，并生成一非空的外部種群；接著，合并進(jìn)化種群及外部種群進(jìn)行 非支配分級(jí)；其次，判斷是否滿足重啟動(dòng)條件，滿足則采用重啟動(dòng)策略，重新生成進(jìn)化種群， 同時(shí)采用探測算子產(chǎn)生兩個(gè)新個(gè)體加入進(jìn)化種群，并重新進(jìn)行非支配分級(jí)；再次，計(jì)算個(gè)體 擁擠距離，并將相同非支配等級(jí)的個(gè)體按該值從大到小的順序進(jìn)行排列；接著，根據(jù)非支配 分級(jí)結(jié)果更新外部種群；最后，進(jìn)行終止條件判斷，若不滿足，則對進(jìn)化種群作選擇、交叉和 變異等遺傳操作，并根據(jù)最優(yōu)個(gè)體保存策略，生成子代種群，繼續(xù)進(jìn)行尋優(yōu)；若滿足，則終 止，輸出Pareto最優(yōu)解； 步驟6 :獲得最優(yōu)妥協(xié)解，根據(jù)設(shè)計(jì)者對螺旋油楔軸承不同的設(shè)計(jì)需求，從上一步求得 的Pareto最優(yōu)解集中選擇得到螺旋油楔軸承多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)妥協(xié)解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺旋油楔軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所 述步驟4中選擇R2 = 0. 85為代理模型迭代終止準(zhǔn)則。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺旋油楔軸承的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所 述步驟5中初始種群N的取值為5?8。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104091028SQ201410342955
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】劉桂萍, 沈志偉, 毛文貴, 侯淑娟 申請人:湖大海捷(湖南)工程技術(shù)研究有限公司, 湖南大學(xué)