
					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 | |
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| [15] | 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. | 
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