工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報

響應(yīng)面模型與多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的機(jī)床立柱參數(shù)優(yōu)化

于海蓮，王永泉，陳花玲，等

摘要：目的：目前，機(jī)床等復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)仍較多地局限于廣義的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，安排有限數(shù)量的參數(shù)組合方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析比較，然后從中優(yōu)選出性能相對最好的參數(shù)組合作為設(shè)計(jì)結(jié)果。這種設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)是很難保證所選擇的參數(shù)組合是真正最優(yōu)的方案，而且參數(shù)挑選和數(shù)值分析往往需要耗費(fèi)大量時間，難以適應(yīng)現(xiàn)代精密機(jī)床設(shè)計(jì)制造的需要。針對這一問題，以某型精密臥式加工中心為研究對象，提出了一種將響應(yīng)面模型與多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用其對該機(jī)床的龍門立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。方法：首先在對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，找出了初始設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，建立了以立柱靜剛度最大（等效為立柱上滑鞍導(dǎo)軌安裝處變形最?。┖鸵浑A固有頻率最高為優(yōu)化目標(biāo)，以立柱壁厚、各加強(qiáng)筋條（筋板）厚度，以及清砂孔直徑等7個尺寸參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以立柱質(zhì)量為約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化模型。為獲得關(guān)于優(yōu)化函數(shù)的顯式表達(dá)式，分別構(gòu)造了由前述7個設(shè)計(jì)參數(shù)所決定的以立柱最大變形、一階固有頻率及質(zhì)量為輸出（響應(yīng)）變量的初始二階多項(xiàng)式響應(yīng)面模型；采用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)空間抽取100個樣本點(diǎn)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)所得離散數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合得到了響應(yīng)面模型中的多項(xiàng)式參數(shù)。隨后利用非支配排序多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ進(jìn)行循環(huán)逼近優(yōu)化，在每次迭代過程中，根據(jù)上一次優(yōu)化的結(jié)果是否實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的改進(jìn)來判斷是否需要變化設(shè)計(jì)空間，若是則重新構(gòu)造設(shè)計(jì)空間，在設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)增加樣本點(diǎn)，并用其中的樣本點(diǎn)更新響應(yīng)面模型，再對其進(jìn)行優(yōu)化。重復(fù)上述迭代過程，直至滿足收斂條件為止。該方法中每一次響應(yīng)面模型建立與優(yōu)化的過程，稱為一次外循環(huán)。結(jié)果：經(jīng)過29次外循環(huán)（其中有21次變區(qū)間優(yōu)化），最后得到該雙目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解集。該P(yáng)areto解集表現(xiàn)為折線形式，其排列趨勢表明：立柱結(jié)構(gòu)固有頻率的增加也將導(dǎo)致立柱導(dǎo)軌處最大變形的增加，即兩個目標(biāo)函數(shù)具有矛盾性。通過權(quán)衡兩個目標(biāo)的重要性，將立柱的優(yōu)化問題的最優(yōu)解選定為折線折點(diǎn)處對應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。結(jié)果顯示在質(zhì)量不變的條件下，該優(yōu)化解可使立柱一階固有頻率增加15.9%，導(dǎo)軌處最大變形減小7.7%，優(yōu)于傳統(tǒng)方法的優(yōu)化結(jié)果。結(jié)論：提出的將響應(yīng)面模型與多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方法，不但能實(shí)現(xiàn)較高精度的全局搜索尋優(yōu)，而且與目前機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化中普遍采用的基于多次數(shù)值分析的方案優(yōu)選法相比，具有較高的計(jì)算效率。該法同時也適用于機(jī)床中其他零部件或類似復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題。

來源出版物：西安交通大學(xué)學(xué)報, 2012, 46(11): 80-85

入選年份：2016

機(jī)械合金化Mg2Ni儲氫材料的吸氫動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

曹鑫鑫，楊福勝，吳震，等

摘要：目的：高容量低成本的Mg2Ni儲氫合金的吸氫動力學(xué)性能受到氫壓和操作溫度的影響，且儲氫過程中Mg2Ni合金與氫反應(yīng)的機(jī)理仍處于爭論之中，已有的吸氫反應(yīng)動力學(xué)模型仍難以準(zhǔn)確描述Mg2Ni合金吸氫反應(yīng)過程?；趯?shí)驗(yàn)研究，制備了Mg2Ni儲氫合金，并利用壓力—組分—溫度測試儀測量了不同壓力和溫度下Mg2Ni合金的吸氫動力學(xué)特性，建立其吸氫反應(yīng)動力學(xué)模型，探索Mg2Ni合金的吸氫機(jī)理。方法：首先采用機(jī)械合金化方法合成 Mg2Ni儲氫合金，利用萊馳 PM100行星式球磨儀對高純度的鎂粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，下同）和鎳粉（99.5%）等原料在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行密封濕磨球磨70 h，球磨過程采用變轉(zhuǎn)速方式，即轉(zhuǎn)速在350～450 r/min范圍內(nèi)變動。合成過程中，鎂鎳原料的摩爾比為2︰1，選用液體苯作為球磨的過程控制劑，球料比（質(zhì)量比）為10︰1，磨球（直徑為10 mm，數(shù)量為 10個）和球磨罐都采用高硬度的碳化鎢材質(zhì)，以避免合成樣品受球磨材質(zhì)的污染。球磨后的樣品經(jīng)過烘干除苯操作之后，利用X射線衍射儀（XRD）對其進(jìn)行了相組成物性表征。此外，通過定容測試法，采用由北京有色金屬研究總院生產(chǎn)的緩沖容積式壓力—組分—溫度（P-C-T）測試儀對合成的 Mg2Ni儲氫合金的吸氫動力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試并實(shí)時采集與記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。吸氫動力學(xué)性能測試時，需首先利用惰性氣體氬氣進(jìn)行系統(tǒng)的體積標(biāo)定，然后充入氫氣對Mg2Ni合金進(jìn)行多次吸放氫反應(yīng)活化，當(dāng)每次吸放氫過程的儲氫量達(dá)到穩(wěn)定時，才開始進(jìn)行吸氫動力學(xué)性能測試。最后，基于不同壓力和溫度下 Mg2Ni的吸氫動力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立Mg2Ni儲氫合金的吸氫動力學(xué)模型并探討其吸氫機(jī)理。結(jié)果：XRD物性表征顯示：氬氣保護(hù)氣氛下行星式球磨70 h后的產(chǎn)物由主相Mg2Ni合金和少量未反應(yīng)的Mg、Ni組成。合成的Mg2Ni合金在673 K溫度和7.40 MPa氫壓下吸放氫循環(huán)兩次后，其吸氫量和反應(yīng)速率基本保持不變，即樣品達(dá)到完全活化狀態(tài)。一般而言，根據(jù)Arrhenius表達(dá)式，反應(yīng)速率隨著溫度的升高而變大；而對于鎂基合金，在同一初始?xì)鋲海?.40 MPa），不同溫度（523 K、573 K、623 K和673 K）下，其吸氫動力學(xué)曲線表明：反應(yīng)速率隨著反應(yīng)溫度的升高而變慢，且反應(yīng)速率最快的階段在于吸氫反應(yīng)最開始的幾分鐘。另一方面，在同一溫度，不同初始?xì)鋲海?.55 MPa、5.55 MPa和7.46 MPa）下，Mg2Ni合金的吸氫反應(yīng)速率隨著初始?xì)鋲旱脑龃蠖兛?，且吸氫量也隨之越來越大。根據(jù)傳統(tǒng)的氣固反應(yīng)模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，計(jì)算得到不同溫度下反應(yīng)份數(shù)f和時間t的線性關(guān)系式以及反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度T之間的關(guān)聯(lián)式，以此獲得不同溫度和壓力下Mg2Ni吸氫反應(yīng)過程的反應(yīng)速率常數(shù)、指前因子和活化能，如Mg2Ni在673 K和7.40 MPa下的反應(yīng)速率常數(shù)、指前因子和活化能分別為 0.0063，15.52和43.47 kJ/mol H2。進(jìn)一步與JDM（Jander擴(kuò)散模型）、JMA和Chou模型進(jìn)行擬合對比研究發(fā)現(xiàn)，在Mg2Ni合金反應(yīng)初始階段（100 s之內(nèi)），以金屬氫化物形核長大控制為主建立的 JMA模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；而在反應(yīng)后期，以擴(kuò)散為基礎(chǔ)建立的JDM模型和Chou模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。結(jié)論：機(jī)械合金化制備的Mg2Ni合金易活化，在673 K和7.40 MPa氫壓下只需3次吸放氫循環(huán)即可完成活化。不同于一般的氣固反應(yīng)速率與溫度之間的變化關(guān)系，Mg2Ni合金的吸氫過程中壓力越大、溫度越低，反應(yīng)速率越快，且反應(yīng)過程主要受壓力而不是溫度影響。這是因?yàn)镸g2Ni吸氫反應(yīng)的推動力是初始?xì)鋲汉头磻?yīng)平衡氫壓之間的壓力差，壓力差越大，吸氫速率越大。而儲氫材料吸氫過程需滿足Van’t Hoff方程，溫度越高，反應(yīng)平衡氫壓越大，故推動力越小。Mg2Ni合金的吸氫機(jī)理是反應(yīng)初期由金屬氫化物形核長大為主控制，而反應(yīng)后期則是氫在金屬氫化物中的擴(kuò)散過程為速控步驟。其他：Mg2Ni合金的吸氫機(jī)理明晰化有助于為Mg2Ni較緩慢的動力學(xué)性能改善提供指導(dǎo)方向，例如，可添加促進(jìn)金屬氫化物形核生長和發(fā)展的“成核劑”以加快Mg2Ni吸氫反應(yīng)。

來源出版物：西安交通大學(xué)學(xué)報, 2013, 47(5): 44-50

入選年份：2016