多体动力学优化方法

多体动力学优化方法

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李庆国1

,曾庆良1

,范文慧

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(1.山东科技大学机电学院,青岛山东266510;2.清华大学国家C I M S 工程技术研究中心,北京100084)

摘　要:　介绍一种多体动力学优化设计方法,基于I SI GHT 软件集成Pr o /E 和Ada m s,建立优化设

计平台。夹紧装置优化设计实例,验证了该平台的有效性和合理性。关键词:　多体动力学优化;多学科设计优化(MDO );I SI GHT 中图分类号:O313.3 文献标识码:B 文章编号:1001-0874(2007)03-0089-02

A Me thod ofMulti 2body Dynam i c Op ti m i za ti o n

L I Q ing 2guo 1

,　ZEN G Q ing 2liang 1

,　FAN W en 2hui

2

(1.College of Mechanical &Electric Engineering,,Shandong University of Science and Technol ogy,Q ingdao 266510,China;

2.Nati onal C I M S Engineering Research Center of Tsinghua University,Beijing 100084,China )

Ab s trac t:　This paper intr oduces a method of multi 2body dyna m ic op ti m izati on design and builds an op ti m izati on design p latfor m based on I SI GHT s oft w are integrati on Pr o /E and Ada m s .The effectiveness and reliability of the p latfor m is validated by taking the op ti m izati on design of chucking fixture as exa mp le .Keywo rd s:　multi 2body dyna m ic op ti m izati on;multidisci p linary design op ti m izati on;I SI GHT

3国家自然科学基金资助项目(编号:60474059)

1　多体动力学和MDO

多体系统是多个相互运动的物体通过运动副相联的多刚体系统和多柔体系统。上世纪80年代初,多刚体系统动力学计算机仿真已广泛应用于工程领域,通常用来研究系统的位移、速度、加速度与其受力之间的关系。随着计算机技术的飞速发展,仿真、优化技术已在多体系统设计中得到大量应用。为了解决不同学科间的协同设计问题,人们提出了多学科设计优化的思想。

多学科设计优化(Multidisci p linary Design Op ti 2m izati on 简称MDO )是一种设计复杂系统和子系统的方法论。通过充分利用各个学科(子系统)之间相互作用所产生的协同效应,获得系统的整体最优解[1]

。

多学科设计优化问题,在数学形式上可表达为:寻找:x

最小化:f =f (x,y )

约束:h i (x,y )=0　(i =1,2,3,…,n )

g i (x,y )≤0　(j =1,2,3,…,m )

其中f 为目标函数,x 为设计变量,y 是状态变量,h i (x,y )是等式约束,g i (x,y )是不等式约束。

MDO 的研究主要分为三个方面:面向设计的多

学科分析设计软件的集成;有效的MDO 算法,实现多学科并行设计,获得系统最优解;MDO 分布式计算的环境支持。目前,已经出现了较成熟的商业软件,I SI GHT 就是典型代表。2　多学科优化软件I SI GHT

I SI GHT 是一个通过软件协同驱动产品设计优

化的软件。特色是融合了优化设计中需要的三大主要功能:自动化功能、集成化功能和最优化功能。

(1)自动化功能

I SI GHT 的过程集成(Pr ocess I ntegrati on )功能可

以对各种CAD 或CAE 软件进行自动化启动、监视和控制,文件解析(File Parser )功能可以自动地编辑、生成输入文件和自动处理输出文件及读取计算结果。

(2)集成化功能

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煤　矿　机　电　

I SI GHT 过程集成功能从程序间的输入输出关

系,对各个应用软件的执行过程进行自动控制流程。

既不改变现有的各个软件的使用环境,又能够实现由多种程序构成的系统集成化。由于I SI GHT 的设计参数的变更自动反映到集成的全部应用软件及计算机模型并自动进行计算和控制,可以缩短开发时间和削减成本。

(3)最优化功能

I SI GHT 的问题定义(Pr oble m Definati on )功能包括多种优化方法、近似方法、抽样方法、质量工程方法。分别使用或组合这些优化方法,将几种最优化技术组合在一起来解决复杂的工程问题。解答监视器(Soluti on Monit or )用图表进行计算过程的监控,从视觉上和数值上确认对应用问题反复优化计算的探索状况。此外,数据分析(Data Analysis )功能可以方便地对现有计算或实测数据进行统计分析,并可以自动地建立近似模型和进行优化设计的探索。

3　多体动力学优化平台

本文以阿波罗登月计划中用于夹紧登月舱和宇宙飞船的夹紧机构为例,简化模型如图1(A ～E 为铰接点)。其设计要求是:①至少产生800N 的夹紧力;②施加在手柄上的力应不大于80N

。

图1　夹紧装置模型

本文基于I SI GHT 软件集成Pr o /E 和Ada m s,建

立多体动力学优化平台,对夹紧机构进行优化设计,使夹紧力最大。

(1)问题描述

优化目标:max s p ringf orce (X )设计变量:X ={x 1,x 2,x 3,x 4,x 5,x 6,x 7}其中:x 1

为AE 长度;x 2为AB 长度;x 3为CD 垂直方向尺寸;x 4为CD 水平方向尺寸;x 5为CE 水平方向尺寸;x 6

为CE 垂直方向尺寸;x 7为BD 水平方向尺寸。

约束:30≤x 1≤50;60≤x 2≤100;22≤x 3≤38;22≤x 4≤38;15≤x 5≤25;60≤x 6≤100;67≤x 7≤110 (2)优化流程

多体动力学优化平台的整个优化过程可以自动执行。本文利用Pr oe 产生的trail 文件,更新模型,进行质量分析和干涉检查,建立刚体并利用Mech /Pr o 接口生成可供Ada m s 读入的模型文件。同样,Ada m s 产生的avie w .txt 文件也记录了其中的所有操作。利用该文件读入Pr oe 产生的模型文件,设置仿真并输出结果。利用I SI GHT 的过程集成功能,自动启动Pr oe,读入trail 文件,产生模型文件;然后自动启动Ada m s,读入Ada m s .c md 文件,输出仿真结果;选择优化策略,改变参数值,实现优化过程的自动执行。该优化平台的主要流程如图2

。

图2　优化流程图

首先建立输入输出文件;利用文档解析器进行

解析,将变量映射到I SI GHT 中,设置变量变化范围;选择优化策略进行优化设计;最后从I SI GHT 数据库中选择最优结果。 (3)优化结果

历时1h 20m in,优化74步后,得到优化结果。使其在作用力一定的前提下,得到最大的夹紧力。优化前夹紧力为1150N ,优化后为1575N 。4　结论

多体动力学优化平台保证了装配正确性,并进行了干涉检查;利用Pr oe 进行建模,Ada m s 进行动力学分析,充分发挥了软件的长处。夹紧装置优化结果表明,该优化方法可以解决多刚体动力学优化问题。

参考文献:

[1]　李金从,邓家褆.多学科优化集成设计框架[J ].现代制造工

程,2003(3)

作者简介:李庆国(1982-),男,山东科技大学硕士研究生。主要从事虚拟样机和多学科设计优化方面的研究。

(收稿日期:2007-03-01;责任编辑:陶驰东)

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