技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及插秧機結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種基于近似模型的插秧機秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：
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插秧機秧箱的輕量化設(shè)計屬于典型的高維、非線性多學(xué)科優(yōu)化問題，其基本原則是在滿足靜剛度和振動約束的前提下使秧箱質(zhì)量最小。利用傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計方法，容易出現(xiàn)計算復(fù)雜或性能設(shè)計過剩等問題。本發(fā)明通過結(jié)合靈敏度分析與近似模型方法，確定了優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和設(shè)計變量，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，解決了仿真精度與計算復(fù)雜性的矛盾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術(shù)的缺陷，提供一種基于近似模型的插秧機秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，在滿足結(jié)構(gòu)靜動態(tài)性能的前提下，使其質(zhì)量達到最小，通過近似模型的應(yīng)用進行有約束的優(yōu)化，實現(xiàn)秧箱的輕量化，加快了計算進程，縮短了優(yōu)化周期。解決了仿真精度與計算復(fù)雜性的矛盾；在犧牲一定精度的基礎(chǔ)上，有效的減少了計算的復(fù)雜性。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于近似模型的插秧機秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于：首先通過對箱結(jié)構(gòu)進行初始性能的有限元分析，確定剛度富裕點；對影響秧箱靜動態(tài)性能的關(guān)鍵因素進行靈敏度分析，確定設(shè)計變量，以秧箱的模態(tài)、剛度作為優(yōu)化設(shè)計的約束條件，質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；然后采用優(yōu)化拉丁超立方試驗設(shè)計產(chǎn)生樣本點，選用精度較高的kriging模型，構(gòu)建質(zhì)量、模態(tài)和剛度與設(shè)計變量關(guān)系的近似模型，對優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進行簡化；最后采用智能優(yōu)化算法對優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進行求解，得出質(zhì)量最小值和對應(yīng)的設(shè)計變量取值，并對優(yōu)化后的秧箱靜動態(tài)性能進行校驗分析。

其具體包括以下步驟：

步驟1：秧箱結(jié)構(gòu)初始性能有限元分析：包括構(gòu)建秧箱結(jié)構(gòu)有限元模型，進行剛度分析與模態(tài)分析，確定初始條件下秧箱的最大硬點剛度與模態(tài)第一階固有頻率，并確定剛度富裕點；

步驟2：秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建：包括確定優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和設(shè)計變量，優(yōu)化目標(biāo)為秧箱質(zhì)量最??；約束條件為滿足秧箱靜動態(tài)性能要求，即滿足靜剛度和振動約束；變量包括形狀變量和尺寸變量；對變量進行質(zhì)量靈敏度分析，靈敏度較大的變量作為設(shè)計變量；根據(jù)加工工藝及插秧機秧箱性能要求確定各設(shè)計變量的取值范圍；

步驟3：近似模型的構(gòu)建：包括確定試驗設(shè)計方法、初始樣本點、近似模型類型及其精度評估準則；根據(jù)步驟2的分析結(jié)果，構(gòu)建以剛度、模態(tài)和質(zhì)量與設(shè)計變量關(guān)系的近似模型，并進行精度評估，如不滿足條件，則增加樣本點重新構(gòu)建近似模型，直至滿足精度要求；

步驟4：秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化：根據(jù)步驟3所構(gòu)建的近似模型，通過有約束的單目標(biāo)優(yōu)化方法得到滿足靜動態(tài)性能條件下，秧箱質(zhì)量的最小值及對應(yīng)設(shè)計變量取值；

步驟5：秧箱靜動態(tài)性能校驗分析：校驗秧箱設(shè)計變量最優(yōu)值，如滿足設(shè)計目標(biāo)則設(shè)計完成，如不滿足設(shè)計目標(biāo)，則修改設(shè)計變量的初始取值進入步驟2，按照上述步驟構(gòu)建、優(yōu)化和分析，直至滿足設(shè)計目標(biāo)則設(shè)計完成。

所述步驟2中的秧箱形狀變量主要有各個經(jīng)軸架的截面寬度和高度；尺寸變量主要有各個經(jīng)軸架及秧箱單元的厚度。

所述步驟3中的近似模型包括秧箱質(zhì)量、剛度、模態(tài)三個響應(yīng)量與設(shè)計變量關(guān)系的近似模型，剛度、模態(tài)與設(shè)計變量關(guān)系的近似模型分別擬合最大硬點剛度和秧箱的第一階固有頻率；近似模型精度評估準則為確定性系數(shù)法，取r²≥0.9。

所述步驟5中的校核驗證秧箱變量最優(yōu)值，包括驗證秧箱剛度和模態(tài)性能。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

(1)本發(fā)明在滿足結(jié)構(gòu)靜動態(tài)性能要求的前提下進行插秧機秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，擺脫了經(jīng)驗設(shè)計帶來的不確定性及盲目性；

(2)本發(fā)明通過近似模型的應(yīng)用，解決了仿真精度與計算復(fù)雜性之間的矛盾，在犧牲一定精度的基礎(chǔ)上，可在設(shè)計變量給定范圍內(nèi)更快地找到最優(yōu)值，大大縮短了計算時間。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的設(shè)計流程圖。

圖2為本發(fā)明實施案例中插秧機秧箱有限元模型。

圖3為本發(fā)明實施案例中經(jīng)軸架1的截面設(shè)計變量定義圖。

圖4為本發(fā)明實施案例中經(jīng)軸架2的截面設(shè)計變量定義圖。

圖5為本發(fā)明實施案例中經(jīng)軸架3的截面設(shè)計變量定義圖。

圖6為本發(fā)明實施案例中經(jīng)軸架4的截面設(shè)計變量定義圖。

具體實施方式：

參見附圖。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

機械的輕量化有益于推進節(jié)能減排，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，在滿足結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)性能的前提下，使其質(zhì)量達到最小，通過近似模型的應(yīng)用進行有約束的優(yōu)化，實現(xiàn)秧箱的輕量化，解決了仿真精度與計算復(fù)雜性之間的矛盾，加快了計算進程，縮短了優(yōu)化周期。

步驟1：秧箱結(jié)構(gòu)有限元分析。包括構(gòu)建秧箱結(jié)構(gòu)有限元模型，進行剛度分析與模態(tài)分析，確定初始條件下秧箱的最大硬點剛度與模態(tài)第一階固有頻率，并確定剛度富裕點。

步驟2：秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。包括確定優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和設(shè)計變量。優(yōu)化目標(biāo)為秧箱質(zhì)量最小；約束條件為滿足秧箱靜動態(tài)性能要求，即滿足靜剛度和振動約束；變量包括形狀變量和尺寸變量。對變量進行質(zhì)量靈敏度分析，靈敏度較大的變量作為設(shè)計變量。根據(jù)加工工藝及插秧機秧箱性能要求確定各設(shè)計變量的取值范圍。

步驟3：近似模型的構(gòu)建。包括確定試驗設(shè)計方法、初始樣本點、近似模型類型及其精度評估準則。根據(jù)步驟2的分析結(jié)果，構(gòu)建以剛度、模態(tài)和質(zhì)量與設(shè)計變量關(guān)系的近似模型，并進行精度評估，如不滿足條件，則增加樣本點重新構(gòu)建近似模型，直至滿足精度要求。

步驟4：秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)步驟3所構(gòu)建的近似模型，通過有約束的單目標(biāo)優(yōu)化方法得到滿足靜動態(tài)性能條件下，秧箱質(zhì)量的最小值及對應(yīng)設(shè)計變量取值。

步驟5：秧箱靜動態(tài)性能校驗分析。校驗秧箱設(shè)計變量最優(yōu)值，如滿足設(shè)計目標(biāo)則設(shè)計完成，如不滿足設(shè)計目標(biāo)，則修改設(shè)計變量的初始取值進入步驟2。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2中的秧箱形狀變量主要有：各個經(jīng)軸架的截面寬度和高度；尺寸變量主要有：各個經(jīng)軸架及秧箱單元的厚度。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟3中的近似模型包括秧箱質(zhì)量、剛度、模態(tài)三個響應(yīng)量的近似模型，剛度、模態(tài)近似模型分別擬合最大硬點剛度和秧箱的一階固有頻率；近似模型精度評估準則為確定性系數(shù)法，取r²≥0.9。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟5中的秧箱靜動態(tài)性能校驗，包括驗證秧箱剛度和模態(tài)性能。

實施例：現(xiàn)以某型插秧機秧箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為例進行說明，秧箱的初始設(shè)計有限元模型如圖2所示，圖中1為秧箱單元，2為經(jīng)軸架1，3為經(jīng)軸架2,4為經(jīng)軸架3,5為經(jīng)軸架4。

步驟1：秧箱結(jié)構(gòu)有限元分析。秧箱有限元模型如圖2所示。進行剛度和模態(tài)分析，分析結(jié)果為秧箱初始質(zhì)量為10.631kg，最大硬點剛度為22.712n·mm^-1，第一階固有頻率為30.271hz。

步驟2：秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。包括確定優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和設(shè)計變量，設(shè)計變量靈敏度分析。秧箱的設(shè)計變量包括形狀變量和尺寸變量，形狀變量為各個經(jīng)軸架的截面寬度和高度，尺寸變量為經(jīng)軸架及秧箱單元的厚度。通過cae計算，秧箱設(shè)計變量的靈敏度排序為厚度(秧箱單元、經(jīng)軸架2、3、4、1)、截面高度(經(jīng)軸架2、1、3)、截面寬度(經(jīng)軸架4、3、1)。

步驟3：近似模型的構(gòu)建。采用優(yōu)化拉丁超立方試驗設(shè)計產(chǎn)生樣本點，選用精度較高的kriging模型，得到確定性系數(shù)r²均大于0.9。

步驟4：秧箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將秧箱的模態(tài)、剛度作為優(yōu)化設(shè)計的約束條件，質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，得到質(zhì)量最小時秧箱的變量值，并進行校核，優(yōu)化前后的秧箱設(shè)計變量及質(zhì)量、剛度、模態(tài)值如表1所示。

表1秧箱優(yōu)化前后對比

步驟5：秧箱靜動態(tài)性能校驗分析。優(yōu)化后秧箱的質(zhì)量為9.458kg，第一階固有頻率為30.967hz，剛度為23.205n·mm^-1，秧箱的靜動態(tài)性能均滿足設(shè)計目標(biāo)要求，質(zhì)量減少了1.173kg，實現(xiàn)了秧箱的輕量化。

本專利與現(xiàn)有技術(shù)相比：

(1)對設(shè)計變量進行靈敏度分析，選出對優(yōu)化目標(biāo)影響較大的變量，在一定程度上降低了優(yōu)化問題的難度。

(2)考慮了秧箱實際工況下的模態(tài)與剛度，在滿足實際性能需要的前提下，實現(xiàn)了秧箱的輕量化設(shè)計。

(3)通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)響應(yīng)的近似模型替代真實的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，加快了優(yōu)化進程，縮短了優(yōu)化周期。

(4)將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，降低了優(yōu)化問題的難度。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所做的進一步說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。