基于粒子群算法的瞬變電磁檢測小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化

衛(wèi)偉 趙弘

(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道運(yùn)輸行業(yè)的規(guī)模也得到了飛速的提升[1]。與此同時(shí)，確保管網(wǎng)系統(tǒng)的長期高效安全運(yùn)行也越來越重要，尤其是在埋地金屬管道方面更為突出[2-4]。目前，瞬變電磁法在埋地金屬管道的缺陷檢測中應(yīng)用十分廣泛。該檢測方法是基于電磁感應(yīng)對埋地金屬管道進(jìn)行缺陷檢測的一種檢測手段[5-6]。使用該方式檢測時(shí)，需要利用發(fā)射線圈發(fā)射脈沖信號，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會在地面以下的金屬管道上激發(fā)感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓在空間中形成二次磁場，接收線圈對二次磁場進(jìn)行接收，通過對接收的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷埋地金屬管道有無缺陷或者破損[7-8]。但是，采用瞬變電磁法時(shí)需要對埋地管道上方的每個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行檢測，因此需要移動設(shè)備至相應(yīng)檢測點(diǎn)。由于檢測設(shè)備較多、質(zhì)量較大，導(dǎo)致檢測速度慢且效率低。為了使檢測更加高效，本文設(shè)計(jì)了一種可以搭載瞬變電磁檢測設(shè)備的自動檢測小車，有效地提升檢測快速性和準(zhǔn)確性[9-10]。

在實(shí)際檢測中，埋地管道上方路面情況復(fù)雜多樣，在城市路面中小車可以勻速平穩(wěn)運(yùn)行，但是在野外等顛簸路段常常會因?yàn)闄z測設(shè)備的抖動，影響檢測的準(zhǔn)確性和高效性。市面上用于搭載檢測設(shè)備的小車種類較少，而且基本上都存在結(jié)構(gòu)比較單一、穩(wěn)定性較弱、缺少減震裝置以及缺少動力模塊等缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)以上缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)自動小車的基礎(chǔ)上添加減震裝置，設(shè)計(jì)了一款具有減震效果、可穩(wěn)定搭載和固定不同尺寸瞬變電磁檢測裝備、具備動力裝置的檢測小車，并對決定小車減震性能的減震機(jī)構(gòu)進(jìn)行了彈簧阻尼器參數(shù)優(yōu)化和重要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[11]。該小車可應(yīng)用于基于瞬變電磁法或其他檢測方式的非開挖管道外檢測領(lǐng)域，對管道缺陷檢測領(lǐng)域具有一定的工程意義。

1 瞬變電磁檢測小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能分析

1.1 設(shè)計(jì)要求

通過對目前埋地管道非開挖缺陷檢測領(lǐng)域調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在眾多的檢測方法中瞬變電磁法尤為常用。因此設(shè)計(jì)了一款瞬變電磁檢測小車，要求小車具有良好的減震效果，可以在復(fù)雜顛簸路面攜帶相應(yīng)檢測設(shè)備完成埋地管道缺陷檢測任務(wù)。同時(shí)要求小車的尺寸不大于1.3 m×1.2 m×1.1 m。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

(1)在實(shí)際的埋地管道缺陷檢測中，為了達(dá)到良好的檢測效果，需要針對管道的不同埋地深度和壁厚使用不同尺寸的接發(fā)線圈[12]，因此為了擴(kuò)大小車的使用范圍，做到一車多用，要求小車可以搭載長寬不大于1 m×1 m的線圈。

(2)考慮到檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，在運(yùn)動過程中需要維持檢測設(shè)備的穩(wěn)定性，因此小車要具有減震裝置和良好的減震效果。

(3)為了提高檢測速度和效率，確保小車可平穩(wěn)過坡和過顛簸路段，小車需要足夠的動力。

(4)考慮到降低成本、保護(hù)環(huán)境，小車在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量減少材料用量，降低整體質(zhì)量。

1.2 設(shè)計(jì)方案

基于以上設(shè)計(jì)要求，瞬變電磁檢測小車應(yīng)當(dāng)包括減震機(jī)構(gòu)、檢測儀器設(shè)備搭載平臺以及動力裝置3部分。減震機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有上下擺臂、車輪連接件和彈簧阻尼器，上、下擺臂通過車輪連接件與車輪連接。彈簧上端和車身框架為轉(zhuǎn)動副連接，下端與下擺臂連接，連接方式同為轉(zhuǎn)動副。通過上、下擺臂豎直方向上的擺動配合彈簧的作用達(dá)到減震的目的。同時(shí)為了增強(qiáng)減震效果，在模仿汽車獨(dú)立懸掛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為小車4個(gè)車輪均設(shè)計(jì)了獨(dú)立的減震機(jī)構(gòu)。

使用瞬變電磁法檢測時(shí)用到的檢測設(shè)備有接發(fā)線圈、瞬變電磁儀和24 V供電電源。在實(shí)際檢測中，為了確保檢測效果的準(zhǔn)確性，對不同埋地深度和不同壁厚的管道進(jìn)行缺陷檢測時(shí)，會使用不同尺寸的接發(fā)線圈。對此，設(shè)計(jì)了可變線圈搭載平臺?？梢源钶d直徑不超過1 m的圓形接發(fā)線圈和邊長不超過1 m的方形接發(fā)線圈。

在小車的動力方面，前輪設(shè)計(jì)有2個(gè)24 V步進(jìn)電機(jī)，通過上方搭載的電源給步進(jìn)電機(jī)和瞬變電磁儀供電；通過傳動軸，電機(jī)將動力傳輸至車輪，同時(shí)為后輪提供轉(zhuǎn)向作用。

通過SolidWorks軟件建立瞬變電磁檢測小車的三維模型，再使用有限元仿真軟件對小車關(guān)鍵部位進(jìn)行仿真及優(yōu)化。圖1為瞬變電磁檢測小車模型圖。

1—瞬變電磁儀；2—接發(fā)線圈；3—車輪；4—電機(jī)；5—減震機(jī)構(gòu)；6—可變線圈搭載平臺；7—車身框架；8—電源；9—控制箱。

1.3 結(jié)構(gòu)分析

1.3.1 減震裝置及動力模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減震裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)減震裝置主要由減震彈簧、上下擺臂以及1個(gè)用于連接擺臂和車輪的連接件4部分組成。

1—電動機(jī)；2—上擺臂；3—彈簧阻尼器；4—下擺臂；5—傳動軸；6—車輪連接件。

上下擺臂整體呈“A”字形，在不影響使用的情況下對其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，其一端與車身框架以2個(gè)轉(zhuǎn)動副連接，另一端同連接件也以轉(zhuǎn)動副連接。彈簧兩端分別和車身及下擺臂組成2個(gè)轉(zhuǎn)動副，起支撐和減震作用。當(dāng)小車移動檢測時(shí)，通過上下擺臂固定車輪，減震器負(fù)責(zé)減震，步進(jìn)電機(jī)通過傳動軸將動力輸送至車輪；當(dāng)通過顛簸路段或過坡時(shí)，不同零件之間發(fā)生相對運(yùn)動，車輪在豎直方向上發(fā)生平行運(yùn)動，配合彈簧產(chǎn)生減震作用。

1.3.2 可變線圈搭載平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

搭載線圈部分主要為2條垂直分布的絲杠以及8個(gè)用于固定接發(fā)線圈位置的止動板，利用往復(fù)絲杠的原理實(shí)現(xiàn)可變線圈搭載平臺的設(shè)計(jì)，如圖3所示。當(dāng)需要使用不同尺寸的接發(fā)線圈時(shí)，只需要將止動板旋轉(zhuǎn)，即可在絲杠上移動合適的距離，從而對接發(fā)線圈進(jìn)行固定。該設(shè)計(jì)既可搭載不同尺寸的接發(fā)線圈，又可以避免線圈發(fā)生滑動或偏移。

圖3 可變線圈搭載平臺

2 減震裝置建模與最佳參數(shù)選取

2.1 減震裝置建模

瞬變電磁檢測小車的減震裝置采用彈簧阻尼器進(jìn)行減震，其彈簧剛度系數(shù)為40 000 N/m，阻尼系數(shù)為500 (N·s)/m。將運(yùn)行過程中的震動對小車整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響簡化為物理模型，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)簡化模型

對簡化后的彈簧阻尼系統(tǒng)模型進(jìn)行動力學(xué)分析，由牛頓第二定律可得：

(1)

式中：K為彈簧發(fā)生彈性變化時(shí)的變形系數(shù)，N/m；M為系統(tǒng)的質(zhì)量，kg；C為簡化后的阻尼系數(shù)，N·s/m；x和F分別為小車發(fā)生震動時(shí)產(chǎn)生的位移(m)和隨機(jī)力(N)[13]；t為時(shí)間，s。

式(1)兩邊同除以M得：

(2)

對式(2)進(jìn)行拉氏變換得：

(3)

式中：F(s)為隨機(jī)力F的拉氏變換；X(s)為位移大小x的拉氏變換；s為拉氏變換中的微分算子。 整理式(3)可得彈簧阻尼系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

(4)

式中：C(s)為彈簧阻尼系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

參考在Adams中建立的運(yùn)動學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際小車的材料和搭載檢測設(shè)備質(zhì)量，取M=60 kg，因此該模型的傳遞函數(shù)為：

(5)

2.2 最佳參數(shù)選取

由式(5)可以看出，該系統(tǒng)為典型的二階系統(tǒng)，因此可以通過系統(tǒng)的一些特征量來分析其性能。同時(shí)，也可以通過系統(tǒng)特征量來改善設(shè)計(jì)參數(shù)。此處利用最大超調(diào)量Mp和諧振峰值Mr設(shè)計(jì)選取該系統(tǒng)的阻尼比λ，通過λ計(jì)算最優(yōu)的C和K，以此增強(qiáng)減震裝置的性能。通過計(jì)算得該系統(tǒng)的Mp和Mr如下：

(6)

(7)

對于二階系統(tǒng)而言，Mp和Mr反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度和相對穩(wěn)定性，體現(xiàn)了系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。繪制Mp、Mr與阻尼比的曲線，如圖5所示。

圖5 Mp和Mr關(guān)于λ的函數(shù)曲線

通過計(jì)算可得阻尼比λ與系統(tǒng)質(zhì)量M、彈簧剛度K和阻尼系數(shù)C的關(guān)系：

(8)

根據(jù)圖5，在檢測小車的彈簧阻尼減震裝置中，隨著阻尼比的增大，超調(diào)量、諧振峰值減小。在瞬變電磁檢測小車的實(shí)際運(yùn)行中，需要選擇較大的阻尼比，降低超調(diào)量，以減弱可變線圈搭載平臺的震蕩性；同時(shí)減小諧振峰值以降低檢測小車震動幅度。但當(dāng)阻尼比過大時(shí)，相當(dāng)于顛簸產(chǎn)生的力直接加到可變線圈搭載平臺上，對震動的傳遞效果實(shí)際上并未減弱。同時(shí)在工程中阻尼比一般選擇0.4～0.6，因此在平衡超調(diào)量、諧振峰值和運(yùn)行中震動的傳遞效果后，選取阻尼比λ=0.45，可以在一定程度上控制超調(diào)量和諧振峰值，保持較好的系統(tǒng)響應(yīng)速度、動態(tài)性能和減震效果。

在此基礎(chǔ)上，由式(6)～式(8)計(jì)算得K=20 000 N/m，C=1 000 (N·s)/m，Mp=20.5%，Mr=1.24。用階躍信號模擬隨機(jī)震動，向系統(tǒng)輸入單位階躍信號后觀測其對系統(tǒng)的影響，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，參數(shù)優(yōu)化后，裝置受到隨機(jī)震動后，震蕩幅度降低約60%，且到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間縮短1.5 s，整體性能顯著提升。

圖6 參數(shù)優(yōu)化前、后系統(tǒng)震動對比

3 基于粒子群算法的減震機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 關(guān)鍵零件靜力學(xué)分析及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

該瞬變電磁檢測小車主要包括減震機(jī)構(gòu)、檢測儀器設(shè)備搭載平臺以及動力裝置，其中減震機(jī)構(gòu)是決定該小車性能的關(guān)鍵部分。減震機(jī)構(gòu)主要分為彈簧阻尼器、上下擺臂和車輪連接件。因此，需要對以上零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提升小車的減震能力，降低整體質(zhì)量。

將SolidWorks中建立的上擺臂和車輪連接件三維圖導(dǎo)入ANSYS Workbench仿真軟件中，同時(shí)將SolidWorks中零件的參數(shù)作為模型的幾何形狀和尺寸，并設(shè)置材料屬性為鋁6063-T5。利用Adams進(jìn)行檢測小車運(yùn)動學(xué)仿真得到零件的載荷及其作用處。其中上擺臂受力為兩端的轉(zhuǎn)動副連接處，選取左端轉(zhuǎn)動副的圓孔面為固定邊界，同時(shí)選取運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)動副出現(xiàn)的最大載荷值施加于相應(yīng)轉(zhuǎn)動副作用處，使零件最大應(yīng)力出現(xiàn)在零件最薄弱處，確保上擺臂的安全性。分析零件整體受力情況，并根據(jù)仿真結(jié)果對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[14]。其中上擺臂零件的網(wǎng)格劃分以及靜應(yīng)力仿真分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 上擺臂靜應(yīng)力云圖

上擺臂屈服強(qiáng)度為145 MPa，所受應(yīng)力主要集中在3個(gè)位置，最大應(yīng)力在上擺臂與車輪連接件轉(zhuǎn)動副連接處，應(yīng)力為57 MPa。在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在滿足剛度和強(qiáng)度的約束下，最小化結(jié)構(gòu)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)最佳的結(jié)構(gòu)性能，找到一個(gè)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖8所示。

圖8 上擺臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

根據(jù)圖8的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，并結(jié)合瞬變電磁檢測小車的實(shí)際工作情況，優(yōu)化后的上擺臂結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 上擺臂優(yōu)化結(jié)構(gòu)

對車輪連接件進(jìn)行有限元分析，靜應(yīng)力的分析結(jié)果如圖10所示。在此基礎(chǔ)上拓?fù)鋬?yōu)化后的零件設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖10 車輪連接件靜應(yīng)力云圖

圖11 車輪連接件優(yōu)化結(jié)構(gòu)

對拓?fù)鋬?yōu)化后的上擺臂和車輪連接件進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化后上擺臂和車輪連接件質(zhì)量分別降低了22.60和30.63 g，減輕百分比分別為32.9%和31.3%；最大應(yīng)力分別降低了13.49和2.78 MPa，降低百分比分別為23.6%和5.7%。

3.2 下擺臂試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

因下擺臂屬于減震裝置中的關(guān)鍵零件，相比與上擺臂和車輪連接件其受力情況更加復(fù)雜、設(shè)計(jì)要求更高，因此對其進(jìn)行基于粒子群算法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。記上方受力點(diǎn)與邊緣位置距離為邊緣距離L，零件厚度為H，下方與車身框架連接處的兩腳距離為S，零件質(zhì)量為m，受力時(shí)最大應(yīng)力為σ，如圖12所示。

圖12 下擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)瞬變電磁檢測小車在Admas中的運(yùn)動學(xué)仿真確定零件的具體受力情況，并取小車在仿真運(yùn)動中下擺臂的受力最大值。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選常見的中心組合試驗(yàn)法(Central Composite Design，CCD)[15-16]，具體數(shù)據(jù)選取及對應(yīng)結(jié)果如表1所示。

表1 參數(shù)選取及對應(yīng)結(jié)果

利用響應(yīng)面法得到應(yīng)力σ與邊緣距離L、兩腳距離S以及厚度H的關(guān)系，如圖13和圖14所示。

圖13 應(yīng)力σ關(guān)于L和S的等高線

圖14 應(yīng)力σ關(guān)于L和H的等高線

對表1所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到零件最大應(yīng)力σ與邊緣距離L、厚度H和兩腳距離S之間的數(shù)學(xué)模型，具體如下：

σ=33.813+0.593 357L-5.543 04H-
0.005 607S+0.003 932LH-
0.003 118LS+0.008 155HS-
0.015 796L2+0.211 019H2-0.000 237S2

(9)

質(zhì)量m與邊緣距離L、厚度H和兩腳距離S之間的數(shù)學(xué)模型如下：

m=-38.653 132 856 006+

0.127 932 187 748 61L+

7.790 598 408 910 1H+

0.513 644 172 633 25S

(10)

3.3 下擺臂結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

粒子群優(yōu)化算法(ParticleSwarmOptimization，PSO)是一種基于群體智能的全局搜索和優(yōu)化算法。具體來講，PSO將問題視為在多維空間中搜索目標(biāo)函數(shù)局部或全局最小值或最大值的過程[17-18]。其主要步驟為：首先確定解向量的維數(shù)和每個(gè)粒子的位置、速度、歷史最優(yōu)位置和歷史最優(yōu)值，對于每個(gè)粒子，計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)的值用以代表解向量的函數(shù)值；其次根據(jù)當(dāng)前的位置、速度和歷史最優(yōu)以及全局最優(yōu)做對比，從而進(jìn)行更新；最后檢查迭代后的數(shù)值是否滿足終止條件，若滿足最優(yōu)條件則作為算法的輸出，否則繼續(xù)迭代[19]。相比于其他優(yōu)化算法，粒子群算法在下擺臂的優(yōu)化過程中有以下優(yōu)勢。

(1)可以高效地處理多目標(biāo)優(yōu)化問題。下擺臂優(yōu)化問題中既要考慮應(yīng)力，又要考慮質(zhì)量，因此可以將2個(gè)目標(biāo)函數(shù)同時(shí)作為粒子群算法的優(yōu)化目標(biāo)。

(2)粒子群算法更適合處理復(fù)雜非線性問題。下擺臂的優(yōu)化問題具有非線性、多變量和多目標(biāo)的特點(diǎn)，而粒子群算法具有較好的收斂性，容易找到全局最優(yōu)解。

(3)算法實(shí)現(xiàn)簡單，易于調(diào)試和優(yōu)化，且能夠充分發(fā)揮并行計(jì)算的優(yōu)勢。

減震機(jī)構(gòu)下擺臂參數(shù)的優(yōu)化相當(dāng)于求解有約束、多變量的非線性最小化問題。根據(jù)粒子群算法，以邊緣距離L、厚度H和兩腳距離S為自變量，對質(zhì)量m和最大應(yīng)力σ進(jìn)行優(yōu)化；并以最大應(yīng)力小于鋁6063-T5的許用應(yīng)力，并保證1.5的安全系數(shù)為約束條件，在質(zhì)量較小的情況下選取最小的零件、最大應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，建立目標(biāo)函數(shù)：

(11)

約束條件為σ(L，H，S)≤[σ]/1.5，5 mm≤L≤20 mm，6 mm≤H≤12 mm，60 mm≤S≤90 mm，其中許用應(yīng)力[σ]=145 MPa。粒子群算法對下擺臂進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的流程如圖15所示。利用Matlab進(jìn)行程序語言編寫和計(jì)算。通過不斷代入變量求解目標(biāo)函數(shù)值，并與上一次的數(shù)值進(jìn)行對比，保留最小目標(biāo)值，同時(shí)設(shè)置迭代次數(shù)為105以保證精度。迭代完成后，得到下擺臂的最優(yōu)解參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)取值

圖15 粒子群算法流程圖

該最優(yōu)解使下擺臂在正常工作時(shí)的最大應(yīng)力減小了23.01 MPa；同時(shí)質(zhì)量減小了13.564 g，減少約20%。該優(yōu)化使下擺臂在減小質(zhì)量、節(jié)約資源的同時(shí)增加了工作時(shí)的可靠性和安全系數(shù)。

3.4 基于Adams的運(yùn)動學(xué)仿真及結(jié)果分析

在對瞬變電磁檢測小車進(jìn)行關(guān)鍵部件參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，再次在Adams中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，驗(yàn)證優(yōu)化效果[20]。在運(yùn)動仿真模型中，分別設(shè)置高度4 cm矩形凸起、半徑4 cm的圓柱凸起、圓柱下凹3種顛簸形式，驅(qū)動方式設(shè)置減震小車的前兩輪為驅(qū)動輪，并添加驅(qū)動力；結(jié)合實(shí)際檢測情況，設(shè)置檢測小車以0.5 m/s的速度運(yùn)行。建立的運(yùn)動學(xué)模型如圖16所示。

圖16 運(yùn)動學(xué)仿真模型

通過小車運(yùn)動中可變線圈搭載平臺質(zhì)心在豎直方向，即模型中z軸方向上的位移波動和速度變化情況判斷優(yōu)化結(jié)果，如圖17和圖18所示。

圖17 優(yōu)化前、后質(zhì)心位移波動對比

圖18 優(yōu)化前、后質(zhì)心速度波動對比

結(jié)合圖17、圖18和計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：參數(shù)優(yōu)化和重要零件優(yōu)化設(shè)計(jì)后的瞬變電磁檢測小車在經(jīng)過相同顛簸路段時(shí)，豎直方向上由于顛簸導(dǎo)致的位移峰值降低約55.7%，位移均值降低約67.9%；速度峰值降低約26.5%，速度均值降低約24.2%；同時(shí)在豎直方向上位移和速度波動次數(shù)均有明顯減少，穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。

結(jié)合彈簧阻尼器、上擺臂、車輪連接件和下擺臂的優(yōu)化內(nèi)容及結(jié)果，進(jìn)行優(yōu)化前、后參數(shù)對比，具體如表3所示。

表3 優(yōu)化內(nèi)容及結(jié)果

由表3可以發(fā)現(xiàn)，小車減震機(jī)構(gòu)彈簧阻尼器的相對震蕩幅度降低約60%，到達(dá)穩(wěn)定時(shí)間縮短1.5 s，上擺臂、車輪連接件和下擺臂經(jīng)過優(yōu)化后的質(zhì)量平均減小28.1%，最大應(yīng)力平均減小16.3%。整體優(yōu)化效果明顯，檢測小車性能提升顯著。

4 結(jié) 論

(1)基于利用瞬變電磁法對埋地金屬管道進(jìn)行非開挖缺陷檢測的工作要求，進(jìn)行瞬變電磁檢測小車的總體設(shè)計(jì)，并完成增強(qiáng)減震效果和結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化目標(biāo)。

(2)優(yōu)化后，彈簧阻尼器相對震蕩幅度降低約60%，到達(dá)穩(wěn)定時(shí)間縮短1.5 s；上擺臂、車輪連接件和下擺臂綜合質(zhì)量和最大應(yīng)力分別降低28.1%和16.3%。

(3)與初始設(shè)計(jì)方案相比，檢測小車在正常工作時(shí)位移波動峰值和均值減少55.7%和67.9%，速度峰值和均值減少26.5%和24.2%，同時(shí)震動次數(shù)均有明顯減少，驗(yàn)證了粒子群算法的優(yōu)化效果。優(yōu)化后的檢測小車可靠性、安全系數(shù)及減震性能均得到顯著提高，對相關(guān)檢測小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)和管道陷檢測領(lǐng)域具有一定的工程指導(dǎo)意義。