專利名稱：一種壓縮彈簧的優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于試驗設(shè)計(Design of Experiments,簡稱DOE)和梯度法(Gradient Optimization,簡稱GO)的壓縮彈簧優(yōu)化設(shè)計方法,屬于機械設(shè)計與自動化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓縮彈簧廣泛使用在一些機械中，如內(nèi)燃機、壓縮機等，因而彈簧性能的好壞直接影響到機器的工作性態(tài)(能源的充分利用、速度的提高以及大批生產(chǎn)的經(jīng)濟性)。壓縮彈簧的優(yōu)化設(shè)計目標是在滿足其剛度、強度約束條件的同時盡量減小彈簧整體質(zhì)量。彈簧的傳統(tǒng)設(shè)計方法通常是根據(jù)最大工作載荷、所允許的變形和結(jié)構(gòu)方面的要求等來確定彈簧絲的直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)等，這種方法需要進行多次反復(fù)運算，才能獲得滿足設(shè)計要求的可行方案，還不是最優(yōu)方案。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于試驗設(shè)計和梯度法的壓縮彈簧優(yōu)化設(shè)計方法，該方法運用試驗設(shè)計進行初步尋優(yōu)，并將試驗設(shè)計所得的初步優(yōu)化解作為后續(xù)梯度法的初始值進一步深入優(yōu)化，利用梯度法的高尋優(yōu)速度最終取得全局優(yōu)化解，提高壓縮彈簧的優(yōu)化效率，并且能夠避免陷入局部解、提升優(yōu)化精度。技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種壓縮彈簧的優(yōu)化設(shè)計方法，首先確定壓縮彈簧的設(shè)計變量、質(zhì)量的目標函數(shù)、剛度和強度部分的約束條件，然后按如下步驟進行優(yōu)化設(shè)計:(1)試驗設(shè)計優(yōu)化階段:運用試驗設(shè)計在可行域中對壓縮彈簧的設(shè)計變量進行初步尋優(yōu)，獲得一組初步優(yōu)化解；(2)優(yōu)化值傳遞步驟:從步驟(I)中獲得的一組初步優(yōu)化解中，選出令目標函數(shù)值最優(yōu)的一個初步優(yōu)化解，作為梯度法中各變量的初始值；(3)梯度法優(yōu)化階段:基于步驟(2)獲得的初始值，首先采用梯度法對目標函數(shù)進行優(yōu)化，并反復(fù)在初始值周圍的局部區(qū)域?qū)ふ倚碌某跏贾颠M行迭代，并對改進后的目標函數(shù)繼續(xù)進行優(yōu)化，最后得到令目標函數(shù)最優(yōu)的全局最優(yōu)解。上述步驟(2)為本方法的一個關(guān)鍵步驟，其將試驗設(shè)計和梯度法聯(lián)系在一起，一方面解決了試驗設(shè)計的精度受試驗點數(shù)制約的問題，另一方面能夠避免設(shè)計者由于初始值的選定所導(dǎo)致的梯度法陷入局部解的問題，在效率和精度方面都使得壓縮彈簧的優(yōu)化設(shè)計得到了改善。試驗設(shè)計和梯度法均存在多種可選擇算法，下面以拉丁超立方設(shè)計(試驗設(shè)計)和序列二次規(guī)劃法(梯度法)的組合從原理上對本發(fā)明的可行性進行驗證。優(yōu)化問題模型miny = f (x)
s.t.Ci (x) =0 iEE={l，2，…，me}(I)Ci(X) >0 i G I = {me+l，…，m}試驗設(shè)計優(yōu)化階段--拉丁超立方設(shè)計用已知的累積分布函數(shù)& 描述每一個輸入變量Xi (i = 1,2,…，n)，并將第i個輸入變量Xi的累積分布函數(shù)弋(巧的范圍分為N個非搭接的區(qū)間Su (j=l，2，…，N)，每
個區(qū)間由概率Pu表征:Pij=P (Xi G Sij)(2)并且:
權(quán)利要求
1.一種壓縮彈簧的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:首先確定壓縮彈簧的設(shè)計變量、質(zhì)量的目標函數(shù)、剛度和強度部分的約束條件，然后按如下步驟進行優(yōu)化設(shè)計: (1)試驗設(shè)計優(yōu)化階段:運用試驗設(shè)計在可行域中對壓縮彈簧的設(shè)計變量進行初步尋優(yōu)，獲得一組初步優(yōu)化解； (2)優(yōu)化值傳遞步驟:從步驟(I)中獲得的一組初步優(yōu)化解中，選出令目標函數(shù)最優(yōu)的一個初步優(yōu)化解，作為梯度法的初始值； (3)梯度法優(yōu)化階段:基于步驟(2)獲得的初始值，首先采用梯度法對目標函數(shù)進行優(yōu)化，并反復(fù)在初始值周圍的局部區(qū)域?qū)ふ倚碌某跏贾颠M行迭代，并對改進后的目標函數(shù)繼續(xù)進行優(yōu)化，最后得到令目標函數(shù)最優(yōu)的全局最優(yōu)解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮彈簧的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述壓縮彈簧的設(shè)計變量、質(zhì)量的目標函數(shù)和約束條件如下:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓縮彈簧的優(yōu)化設(shè)計方法，首先確定壓縮彈簧的設(shè)計變量、質(zhì)量的目標函數(shù)、剛度和強度部分的約束條件，然后按如下步驟進行優(yōu)化設(shè)計(1)試驗設(shè)計優(yōu)化階段；(2)優(yōu)化值傳遞步驟；(3)梯度法優(yōu)化階段。本發(fā)明提供的壓縮彈簧的優(yōu)化設(shè)計方法，首先運用試驗設(shè)計進行初步尋優(yōu)，并將試驗設(shè)計所得的初步優(yōu)化解作為后續(xù)梯度法的初始值進一步深入優(yōu)化，然后利用梯度法的高尋優(yōu)速度最終取得全局優(yōu)化解，在提高壓縮彈簧優(yōu)化效率的同時能夠避免陷入局部解、提升優(yōu)化精度。此方法優(yōu)化速度快、精度高，在滿足壓縮彈簧的強度、剛度等約束條件的前提下進一步減小了質(zhì)量，在實際使用中取得了良好的效果。
文檔編號G06F17/50GK103246757SQ201310014260
公開日2013年8月14日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者殷旭, 紀愛敏, 張玉全 申請人:河海大學常州校區(qū)