兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 231135-.doi: 10.12382/bgxb.2023.1135
赵鑫1,2,*(), 苏铁熊3, 马富康3, 史建华1,2, 柴常1
收稿日期:
2023-11-27
上线日期:
2025-01-25
通讯作者:
基金资助:
ZHAO Xin1,2,*(), SU Tiexiong3, MA Fukang3, SHI Jianhua1,2, CHAI Chang1
Received:
2023-11-27
Online:
2025-01-25
摘要:
随着柴油机功率密度的提升,主轴承组合结构将面临主轴承变形加剧、关键部件强度下降等可靠性问题。以主轴承组合结构作为优化设计对象,将强度、刚度、接触强度和轻量化表现作为优化目标,构建多结构特性协同优化设计数学模型。针对传统快速和精英保留多目标遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II,NSGA-II)在求解小种群规模、有限进化代数的复杂工程问题时计算效率低的问题,基于Pareto优化理论,引入自适应策略及固定候选集随机测试算法,提出改进的大象放牧优化(Elephant Herding Optimization,EHO)算法用于求解多结构特性协同优化设计数学模型,并对算法性能及协同优化设计方案进行试验验证。研究结果表明:在小种群规模和有限进化代数下,改进EHO算法的求解能力更强,计算效率更高;在质量波动仅为0.6%的情况下,机体和主轴承座的应力分别降低18.67%和11.06%;各考察截面失圆度平均值降低14.39%;机体与主轴承座接触面最大接触压力降低18.92%。
中图分类号:
赵鑫, 苏铁熊, 马富康, 史建华, 柴常. 基于改进EHO算法的主轴承组合结构多结构特性协同优化设计方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231135-.
ZHAO Xin, SU Tiexiong, MA Fukang, SHI Jianhua, CHAI Chang. Collaborative Optimization Design Method of Main Bearing Assembly Structure with Multi-structural Characteristics Based on Improved EHO Algorithm[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231135-.
方案 序号 | 网格 数量/105 | 机体 应力/MPa | 15mm 截面 失圆度/mm | -15mm 截面 失圆度/mm |
---|---|---|---|---|
1 | 5.6 | 210.9 | 0.1035 | 0.0974 |
2 | 14.9 | 187.6 | 0.0896 | 0.08793 |
3 | 20.3 | 145.7 | 0.0738 | 0.0729 |
4 | 31.4 | 147.1 | 0.0742 | 0.0764 |
5 | 43.8 | 142.8 | 0.0748 | 0.0750 |
表1 网格无关性验证方案及结果
Table 1 Grid independence verification schemes and results
方案 序号 | 网格 数量/105 | 机体 应力/MPa | 15mm 截面 失圆度/mm | -15mm 截面 失圆度/mm |
---|---|---|---|---|
1 | 5.6 | 210.9 | 0.1035 | 0.0974 |
2 | 14.9 | 187.6 | 0.0896 | 0.08793 |
3 | 20.3 | 145.7 | 0.0738 | 0.0729 |
4 | 31.4 | 147.1 | 0.0742 | 0.0764 |
5 | 43.8 | 142.8 | 0.0748 | 0.0750 |
设计变量名称 | 最小值 | 最大值 |
---|---|---|
单个竖向螺栓载荷x1/kN | 100 | 250 |
单个横向螺栓载荷x2/kN | 50 | 200 |
主轴瓦过盈量x3/mm | 0.12 | 0.20 |
主轴承座装配侧隙x4/mm | 0.05 | 0.15 |
机体隔板厚度x5/mm | 40 | 48 |
主轴承座厚度x6/mm | 36 | 44 |
机体侧壁竖加强筋厚度x7/mm | 30 | 50 |
表2 设计变量及其取值范围
Table 2 Design variables and their value ranges
设计变量名称 | 最小值 | 最大值 |
---|---|---|
单个竖向螺栓载荷x1/kN | 100 | 250 |
单个横向螺栓载荷x2/kN | 50 | 200 |
主轴瓦过盈量x3/mm | 0.12 | 0.20 |
主轴承座装配侧隙x4/mm | 0.05 | 0.15 |
机体隔板厚度x5/mm | 40 | 48 |
主轴承座厚度x6/mm | 36 | 44 |
机体侧壁竖加强筋厚度x7/mm | 30 | 50 |
算法1:多目标EHO算法 | |
---|---|
1 | 设种群规模为N |
2 | 对父代种群P按照支配等级和拥挤度进行排序 |
3 | for每个氏族i,i=1,2,…,n,n为种群N中氏族的数量 |
4 | for每个氏族中的大象个体j,j=1,2,…,N/n |
5 | 将父代种群P中第10(j-1)+i个个体作为第i个氏族中的第j个大象个体 |
6 | end_for |
7 | end_for |
8 | 建立临时矩阵Temp,依次放入各氏族大象个体的设计变量 |
9 | 设置氏族更新每个氏族保留优秀个体数量为keep |
10 | for每个氏族i,i=1,2,…,n |
11 | 执行氏族更新 |
12 | 确保氏族更新生成的大象个体处于全局空间 |
13 | 进行非支配排序与拥挤度计算 |
14 | end_for |
15 | for每个氏族i,i=1,2,…,n |
16 | 执行基于自适应策略的个体分离 |
17 | 确保个体分离生成的大象个体处于全局空间 |
18 | 替换氏族中适应度差(排序最后)的大象个体 |
19 | end_for |
20 | 合并各氏族的大象个体作为子代种群S |
表3 多目标EHO算法伪代码
Table 3 Pseudo-code of multi-objective EHO algorithm
算法1:多目标EHO算法 | |
---|---|
1 | 设种群规模为N |
2 | 对父代种群P按照支配等级和拥挤度进行排序 |
3 | for每个氏族i,i=1,2,…,n,n为种群N中氏族的数量 |
4 | for每个氏族中的大象个体j,j=1,2,…,N/n |
5 | 将父代种群P中第10(j-1)+i个个体作为第i个氏族中的第j个大象个体 |
6 | end_for |
7 | end_for |
8 | 建立临时矩阵Temp,依次放入各氏族大象个体的设计变量 |
9 | 设置氏族更新每个氏族保留优秀个体数量为keep |
10 | for每个氏族i,i=1,2,…,n |
11 | 执行氏族更新 |
12 | 确保氏族更新生成的大象个体处于全局空间 |
13 | 进行非支配排序与拥挤度计算 |
14 | end_for |
15 | for每个氏族i,i=1,2,…,n |
16 | 执行基于自适应策略的个体分离 |
17 | 确保个体分离生成的大象个体处于全局空间 |
18 | 替换氏族中适应度差(排序最后)的大象个体 |
19 | end_for |
20 | 合并各氏族的大象个体作为子代种群S |
序号 | x1 | x2 | x3 | x4 | x5 | x6 | x7 | Fs,1 | Fs,2 | Fr | Fc | Fl |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 210512.6 | 106276.5 | 0.185 | 0.103 | 42.93 | 43.12 | 32.11 | 0.234 | 0.781 | 0.242 | 0.329 | 0.019 |
2 | 225853.8 | 167072.6 | 0.181 | 0.088 | 43.76 | 43.92 | 32.60 | 0.229 | 0.775 | 0.245 | 0.326 | 0.016 |
3 | 151323.9 | 69629.7 | 0.204 | 0.052 | 42.70 | 42.83 | 38.92 | 0.338 | 0.863 | 0.121 | 0.556 | 0.024 |
4 | 168681.2 | 111287.0 | 0.180 | 0.107 | 43.01 | 43.95 | 32.51 | 0.157 | 0.832 | 0.189 | 0.475 | 0.018 |
5 | 200141.3 | 138133.5 | 0.185 | 0.105 | 36.46 | 36.48 | 32.59 | 0.241 | 0.722 | 0.183 | 0.295 | 0.036 |
6 | 200141.3 | 138133.5 | 0.185 | 0.105 | 36.46 | 36.48 | 32.59 | 0.241 | 0.722 | 0.183 | 0.295 | 0.036 |
7 | 177335.5 | 79778.9 | 0.178 | 0.070 | 36.19 | 36.09 | 38.72 | 0.378 | 0.726 | 0.142 | 0.357 | 0.039 |
8 | 150582.5 | 111464.8 | 0.174 | 0.103 | 42.78 | 42.82 | 32.80 | 0.196 | 0.883 | 0.120 | 0.509 | 0.025 |
表4 协同优化设计结果
Table 4 Reliability matching design results
序号 | x1 | x2 | x3 | x4 | x5 | x6 | x7 | Fs,1 | Fs,2 | Fr | Fc | Fl |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 210512.6 | 106276.5 | 0.185 | 0.103 | 42.93 | 43.12 | 32.11 | 0.234 | 0.781 | 0.242 | 0.329 | 0.019 |
2 | 225853.8 | 167072.6 | 0.181 | 0.088 | 43.76 | 43.92 | 32.60 | 0.229 | 0.775 | 0.245 | 0.326 | 0.016 |
3 | 151323.9 | 69629.7 | 0.204 | 0.052 | 42.70 | 42.83 | 38.92 | 0.338 | 0.863 | 0.121 | 0.556 | 0.024 |
4 | 168681.2 | 111287.0 | 0.180 | 0.107 | 43.01 | 43.95 | 32.51 | 0.157 | 0.832 | 0.189 | 0.475 | 0.018 |
5 | 200141.3 | 138133.5 | 0.185 | 0.105 | 36.46 | 36.48 | 32.59 | 0.241 | 0.722 | 0.183 | 0.295 | 0.036 |
6 | 200141.3 | 138133.5 | 0.185 | 0.105 | 36.46 | 36.48 | 32.59 | 0.241 | 0.722 | 0.183 | 0.295 | 0.036 |
7 | 177335.5 | 79778.9 | 0.178 | 0.070 | 36.19 | 36.09 | 38.72 | 0.378 | 0.726 | 0.142 | 0.357 | 0.039 |
8 | 150582.5 | 111464.8 | 0.174 | 0.103 | 42.78 | 42.82 | 32.80 | 0.196 | 0.883 | 0.120 | 0.509 | 0.025 |
参数名称 | 初值 | 优化值 |
---|---|---|
单个竖向螺栓载荷x1/kN | 200.0 | 210.5 |
单个横向螺栓载荷x2/kN | 98.0 | 106.3 |
主轴瓦过盈量x3/mm | 0.160 | 0.185 |
主轴承座装配侧隙x4/mm | 0.050 | 0.103 |
机体隔板厚度x5/mm | 44.0 | 42.9 |
主轴承座厚度x6/mm | 40.0 | 43.1 |
机体侧壁竖加强筋厚度x7/mm | 30.0 | 32.1 |
表5 优化前后设计参数
Table 5 Design parameters before and after optimization
参数名称 | 初值 | 优化值 |
---|---|---|
单个竖向螺栓载荷x1/kN | 200.0 | 210.5 |
单个横向螺栓载荷x2/kN | 98.0 | 106.3 |
主轴瓦过盈量x3/mm | 0.160 | 0.185 |
主轴承座装配侧隙x4/mm | 0.050 | 0.103 |
机体隔板厚度x5/mm | 44.0 | 42.9 |
主轴承座厚度x6/mm | 40.0 | 43.1 |
机体侧壁竖加强筋厚度x7/mm | 30.0 | 32.1 |
图15 强度测试示意图(左为应力集中区域仿真结果,右为应力集中区域强度测试图)
Fig.15 Diagram of strength testing(left:the simulated result of stress concentration area,right:the strength test diagram of stress concentration area)
图18 主轴瓦周向正应变测量原理(左为测量过程示意图,右为测量装配示意图)
Fig.18 Principle of circumferential vertical strain measurement of main bearing shell(left:the diagram of measurement process,right:the diagram of measurement assembly)
方案 | 仿真值/MPa | 测量值/MPa | 相对误差/% |
---|---|---|---|
原方案 | 143.48 | 150.3 | 4.5 |
改进方案 | 116.69 | 140.5 | 16.9 |
表6 机体应力仿真值与测量值
Table 6 Simulaed and measured values of stresses of engine block
方案 | 仿真值/MPa | 测量值/MPa | 相对误差/% |
---|---|---|---|
原方案 | 143.48 | 150.3 | 4.5 |
改进方案 | 116.69 | 140.5 | 16.9 |
被测截面 | 测点 | 原方案 | 改进方案 | ||
---|---|---|---|---|---|
仿真值/ mm | 测量值/ mm | 仿真值/ mm | 测量值/ mm | ||
15 mm 轴向 截面 | 1 | 0.039 | 0.042 | 0.035 | 0.031 |
2 | 0.040 | 0.039 | 0.034 | 0.034 | |
3 | 0.036 | 0.033 | 0.036 | 0.033 | |
4 | 0.043 | 0.040 | 0.035 | 0.032 | |
-15 mm 轴向 截面 | 1 | 0.037 | 0.034 | 0.034 | 0.030 |
2 | 0.038 | 0.039 | 0.033 | 0.032 | |
3 | 0.040 | 0.037 | 0.035 | 0.034 | |
4 | 0.036 | 0.035 | 0.036 | 0.032 |
表7 径向变形仿真值与测量值对比
Table 7 Comparison of simulated and measured radial deformations
被测截面 | 测点 | 原方案 | 改进方案 | ||
---|---|---|---|---|---|
仿真值/ mm | 测量值/ mm | 仿真值/ mm | 测量值/ mm | ||
15 mm 轴向 截面 | 1 | 0.039 | 0.042 | 0.035 | 0.031 |
2 | 0.040 | 0.039 | 0.034 | 0.034 | |
3 | 0.036 | 0.033 | 0.036 | 0.033 | |
4 | 0.043 | 0.040 | 0.035 | 0.032 | |
-15 mm 轴向 截面 | 1 | 0.037 | 0.034 | 0.034 | 0.030 |
2 | 0.038 | 0.039 | 0.033 | 0.032 | |
3 | 0.040 | 0.037 | 0.035 | 0.034 | |
4 | 0.036 | 0.035 | 0.036 | 0.032 |
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
姬亚萌, 张卫正, 原彦鹏, 等. 高强化柴油机活塞加速热疲劳与等效寿命评估方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(12):3008-3019.
|
|
|
[4] |
周玮, 廖日东. 高功率密度柴油机主轴承热弹流混合润滑分析[J]. 内燃机学报, 2016, 34(4):370-378.
|
|
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
郭圣刚, 王建平, 赵忠诚, 等. 金属掺杂对高强化柴油机活塞销类金刚石薄膜涂层摩擦学性能的影响[J]. 兵工学报, 2021, 42(4):715-722.
|
|
|
[8] |
欧阳光耀. 船用高速大功率柴油机运行可靠性与再设计技术[J]. 内燃机学报, 2008, 26(增刊1):40-46.
|
|
|
[9] |
刘若辰, 李建霞, 刘静, 等. 动态多目标优化研究综述[J]. 计算机学报, 2020, 43(7):1246-1278.
|
|
|
[10] |
孟令烁. 柴油机机体组结构协调性设计技术研究[D]. 济南: 山东大学, 2018.
|
|
|
[11] |
马明旭, 王成恩, 张嘉易, 等. 复杂产品多学科设计优化技术[J]. 机械工程学报, 2008, 44(6):15-26.
|
|
|
[12] |
任培荣, 左正兴, 程颖. 内燃机主承力结构响应协调性评价体系研究[C]// 2018中国汽车工程学会年会暨展览会. 上海: 中国汽车工程学会,2018:762-768.
|
|
|
[13] |
唐佳桃, 雷基林, 雷启铭, 等. 柴油机活塞环组动力学特性分析及多目标优化设计[J]. 内燃机工程, 2023, 44(2):73-80.
|
|
|
[14] |
|
[15] |
赵鑫. 基于改进NSGA-Ⅱ算法的主轴承组合结构协调匹配设计方法研究[D]. 太原: 中北大学, 2023.
|
|
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
李金忠, 夏洁武, 曾小荟, 等. 多目标模拟退火算法及其应用研究进展[J]. 计算机工程与科学, 2013, 35(8):77-88.
|
|
|
[21] |
|
[22] |
章恩泽. 多目标粒子群优化算法及其应用研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2018.
|
|
[1] | 万斯来, 王国新, 明振军, 李传浩, 阎艳, 丁伟, 袁珂, 王玉茜. 基于AGE-MOEA的杀伤链建模与优化方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(8): 2617-2628. |
[2] | 刘盛钰, 齐小刚, 刘立芳. 伴随维修资源配置与任务调度的多目标联合优化[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2442-2450. |
[3] | 魏嘉麟, 王又珑, 温旭辉, 陈晨, 李文善. 航空飞行器用300kW高速永磁同步电机优化设计[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1363-1373. |
[4] | 孙士明, 郁伟, 王晓辉, 李振旺, 刘彩连. 基于多目标优化的跨介质航行体水面滑跳初始运动参数设计[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 541-551. |
[5] | 赵伟, 侯保林. 电磁炮纤维缠绕约束结构多目标优化[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 3820-3832. |
[6] | 傅耀宇, 贵新成, 周云波, 刘家志, 石昊, 王铮. 破片杀伤战斗部空爆状态下车顶夹芯板防护性能分析与优化设计[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 69-84. |
[7] | 张安, 徐双飞, 毕文豪, 徐晗. 空地多目标攻击武器-目标分配与制导序列优化[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2233-2244. |
[8] | 杜伟伟, 陈小伟. 陆军战术级作战任务分配及优化方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(5): 1431-1442. |
[9] | 李京峰, 陈云翔, 项华春, 高杨军, 赵静. 考虑横向转运和紧急配送的战时多目标备件调度方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(3): 816-830. |
[10] | 张宁, 史金光, 王中原, 赵新新. 基于支持向量回归模型的弹用冲压发动机性能预测及优化[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 2944-2953. |
[11] | 颜建虎, 李彪, 时岩, 张凌宇, 衡培然. 主动悬架用非均匀齿圆筒型永磁直线电机多目标分层优化设计[J]. 兵工学报, 2023, 44(1): 40-50. |
[12] | 赵子熹, 姜毅, 贾启明, 牛钰森. 基于高压工质的弹射内弹道研究[J]. 兵工学报, 2022, 43(7): 1553-1564. |
[13] | 鲁宇明, 张祥飞, 黎明, 赵闵清. 基于约束多目标优化算法的夹具定位方案稳健性优化设计[J]. 兵工学报, 2022, 43(3): 686-693. |
[14] | 胡晶, 翟九童, 张心明,李海龙,荀博. 基于响应面法的双级串联轴承结构优化设计[J]. 兵工学报, 2022, 43(3): 694-703. |
[15] | 田震,刘峰,王萌,陈书培,李捷龙,赵彦凯. 基于改进NSGA-Ⅱ的载人潜水器多开孔耐压结构优化[J]. 兵工学报, 2022, 43(11): 2875-2884. |
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