基于改进nsga-ⅱ算法的发动机活塞机构优化设计-夏尔冬.pdf
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1、基 于 改 进 N S G A - 算 法 的 发 动 机 活 塞 机 构 优 化 设 计夏 尔 冬1, 王 春 荣1 , 2, 熊 昌 炯1, 刘 建 军1( 1 .三 明 学 院 机 电 工 程 学 院 , 福 建 三 明 3 6 5 0 0 4 ; 2 .北 京 工 业 大 学 机 械 工 程 及 应 用 电 子 技 术 学 院 , 北 京 1 0 0 1 2 4 )来 稿 日 期 : 2 0 1 7 - 0 7 - 1 2基 金 项 目 : 福 建 省 教 育 厅 科 技 项 目 ( J K 2 0 1 5 0 4 6 ) ; 福 建 省 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 2 0 1
2、 6 J 0 1 7 4 1 ) ; 福 建 省 教 育 厅 科 技 项 目 ( J A 1 4 2 9 3 ) ;三 明 市 科 技 项 目 ( 2 0 1 4 - G - 6 ) ; 福 建 省 引 导 性 项 目 ( 2 0 1 6 N 0 0 2 9 )作 者 简 介 : 夏 尔 冬 ,( 1 9 8 6 - ) , 女 , 湖 北 黄 冈 人 , 硕 士 研 究 生 , 讲 师 , 主 要 研 究 方 向 : 车 辆 工 程 、 多 目 标 优 化 ;王 春 荣 ,( 1 9 8 6 - ) , 男 , 福 建 漳 州 人 , 博 士 研 究 生 , 讲 师 , 主 要 研 究 方
3、向 : 机 器 人 运 动 学 、 动 力 学1 引 言发 动 机1 - 3 是 汽 车 的 动 力 来 源 , 是 汽 车 中 最 重 要 的 G80 G81 , G82 性G83 G84 G85 G86 G87 汽 车 的 动 力 、 G88 G89 、 G8A G8B G8C , G8D G8E G8F 机 G90 是 发 动 机 中 重要 的 运 动 G80 G91 G92 G93 , G8E G8F 机 G90 的 运 动 G94 G95 、 G96 G94 G95 、 运 动 G97 G98 G8C G99G9A G9B 发 动 机 的 性 G83 G9C G9D G9E , G9
4、B G8E G8F 机 G90 G9F GA0 优 化 GA1 GA2 研 究 , GA3 GA4 GA5GA6 重 要 的 GA7 GA8 G9CGA9 GAA GAB GA4 GAC 学 GAD GAE G9B G8E G8F 机 G90 GAF GB0 GB1 GB2 GB3 研 究 , GB4 GB54 GB6 GB7P r o / E G9B GB8 GB9 G8E G8F 机 GBA 的 运 动 G9F GA0 GB1 GBB GBC 研 究 ; GB4 GB55 用 A D A M SG9B GBD G88 机 的 GB8 GB9 GBE G8E G8F 机 GBA G9F GA
5、0 GB1 动 力 学 GA6 GBF , GC0 GC1 GB1 工 GC2 中 GB8GB9 的 GC3 GC4 GC5 GC6 ; GB4 GB56 G9B 发 动 机 的 G8E G8F 机 GBA GC7 GC8 GC9 G9F GA0 研 究 , GCA GCBGCC GCD GB1 G82 GCE GCF GD0 GD1 , GD2 GD3 GD4 GB1 GD5 动 GD6 G9B G82 运 动 性 G83 的 G86 G87 G9CGD7 G8E G8F 机 G90 的 运 动 G97 G98 GD0 GD1 GD8 GD5 动 GD6 GD9 9 0 GDA GD1 GD
6、B GDC 目 标优 化 GDD GDE G9C GD5 GDF 的 多 目 标 优 化 是 GE0 用 G96 GE1 GE2 GE3 多 目 标 GE4 化 GDB GE5 目标 G9F GA0 优 化 , GCA 是 GE6 GE7 GE1 GE8 GDE 的 主 GE9 G9D GEA GEB GEC , G9B 优 化 性 G83 GA3 GA4GED 大 的 G86 G877 G9C GE0 用 N S G A - GEE GE28 - 1 2 G9B G8E G8F 机 GBA G9F GA0 GDC 目 标 优化 , GDB GEF GEC G82 GF0 GF1 G83 力
7、GD9 GF2 GF3 多 GF4 性 , G9B N S G A - GEE GE2 G9F GA0 GB1 GF5G9F , GF6 用 GF5 G9F 的 N S G A - GEE GE2 G9B G8E G8F 机 GBA G9F GA0 优 化 GA1 GA2 GA6 GBF , GF7GF8 G8E G8F 机 GBA 的 运 动 性 G83 G9C2 G8E G8F 机 GBA GDE 学 GF9 GFA 建 GFBGE0 用 P R O / E G9B 发 动 机 G8E G8F 机 GBA G9F GA0 三 GFC GFD GFE 建 GF9 , GFF 图 1 所示 G
8、9C 包 括 活 G8F 、 GB8 GB9 、 连 GC8 G8C , G9B G82 G9F GA0 运 动 GA6 GBF , 机 活 G8F 机 GBA 运 动简 图 , GFF 图 2 所 示 G9C摘 要 : 为 提 高 发 动 机 活 塞 机 构 的 运 动 性 能 , 提 出 了 以 最 小 跟 踪 误 差 和 传 动 角 与 直 角 的 偏 差 最 小 为 优 化 目 标 , 建 立 发 动机 活 塞 机 构 多 目 标 优 化 模 型 , 引 入 N S G A - 算 法 对 活 塞 机 构 进 行 多 目 标 优 化 。 为 提 高 N S G A - 算 法 的 种
9、群 的 多 样 性 和搜 索 能 力 , 对 交 叉 算 子 和 变 异 算 子 进 行 改 进 , 应 用 N S G A - 算 法 与 改 进 算 法 对 发 动 机 活 塞 机 构 优 化 问 题 进 行 求 解 , 分 别得 到 各 自 的 P a r e t o 解 集 , 并 通 过 逼 近 G80 G81 解 G82 G83 法 G84 出 最 优 解 进 行 G85 G86 。 通 过 G87 G88 G85 G86 G89 G8A , 改 进 算 法 的 P a r e t o 解 集 分别 G8B G8C G8D G8E G8F G90 G91 G92 G93 G8E 跟
10、 踪 误 差 G8B 小 , 能 为 发 动 机 活 塞 机 构 的 优 化 设 计 提 G94 G95 G96 G97 G98 。关 键 词 : 活 塞 机 构 ; 多 目 标 优 化 ; N S G A - ; P a r e t o中 图 分 类 号 : T H 1 6 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 1 - 3 9 9 7( 2 0 1 8 ) 0 1 - 0 2 0 5 - 0 4O p t im a l D e s ig n o f E n g in e P is t o n M e c h a n is m B a s e d o n l m p o
11、r o v e d N S G A - X I A E r - d o n g1, W A N G C h u n - r o n g1 , 2, X I O N G C h a n g - j i o n g1, L I U J i a n - j u n1( 1 . S c h o o l o f M e c h a n i c a l E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g , S a n m i n g U n i v e r s i t y , F u j i a n S a n m i n g 3 6 5 0 0 4 , C h i n
12、a ; 2 . C o l l e g e o f M e c h -a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y , B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 , C h i n a )A s t r a c t: I n o r d e r t o i m p r o v e t h e m o t i o n p e
13、 r f o r m a n c e o f e n g i n e p i s t o n m e c h a n i s m , b o t h t h e m e c h a n i s m s t r a c k i n g e r r o r a n dd e v i a t i o n o f i t s t r a n s m i s s i o n a n g l e f r o m 9 0 a r e p r e s e n t e d , t h e m u l t i - o b j e c t i v e e n g i n e p i s t o n m e c h
14、a n i s m o p t i m i z a t i o n m o d e l i se s t a b l i s h e d , t h e n o n - d o m i n a t e d s o r t i n g g e n e t i c a l g o r i t h m - ( N S G A - ) i s u s e d t o t h e m u l t i - o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n o f e n g i n ep i s t o n m e c h a n i s m . T o e n h a
15、n c e t h e p o p u l a t i o n d i v e r s i t y a n d t h e s e a r c h a b i l i t y o f N S G A - , t h e c r o s s o v e r o p e r a t o r a n d m u t a t i o no p e r a t o r a r e i m p r o v e d . T h e N S G A - a l g o r i t h m a n d i m p r o v e d a l g o r i t h m a r e u s e d f o r s
16、 o l v i n g t h e o p t i m i z a t i o n p r o b l e m o f e n g i n ep i s t o n m e c h a n i s m , t w o s e t o f P a r e t o s o l u t i o n s a r e o b t a i n e d r e s p e c t i v e l y . T h e c o m p a r i s o n o f o p t i m a l s o l u t i o n s w h i c h s e l e c t e d f r o mP a r e
17、 t o s o l u t i o n s e t b y s i m i l a r i t y t o i d e a l s o l u t i o n . T h e c o m p a r i s o n s h o w s t h a t t h e p r o p o s e d a l g o r i t h m d i s t i n c t l y o u t p e r f o r m sN S G A - t h e u n i f o r m d i s t r i b u t i o n o f P a r e t o f r o n t, t h e r a t
18、 e o f c o n v e r g e n c e a n d t r a c k i n g e r r o r, i t c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e b a s i s f o rt h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n o f t h e e n g i n e p i s t o n i n s t i t u t i o n s .K e y W o r d s : P i s t o n M e c h a n i s m ; M u l t i- O j e c t i v e O
19、 p t i m i z a t i o n ; N S G A ; P a r e t oM a c h i n e r y D e s i g n M a n u f a c t u r e机 G99 设 计 与 G9A G9BG9C 1 G9D2 0 1 8 G9E 1 G9F 2 0 5万方数据图 1 发 动 机 活 塞 机 构 三 维 模 型F i g . 1 T h e T h r e e - D i m e n s i o n a l M o d e l o f E n g i n e P i s t o n M e c h a n i s mDEBAOcCdbvua 1 3 2
20、图 2 机 活 塞 机 构 运 动 简 图F i g . 2 T h e M o t i o n D i a g r a m o f P i s t o n M e c h a n i s m2 . 1 目 标 函 数 的 确 定( 1 ) 根 据 图 2 中 几 何 关 系 , E 点 的 坐 标 可 以 表 示 为 :Ex= xA+ b c o s 2+ u c o s 3- v s i n 3Ey= yA+ b s i n 2+ u s i n 3+ v c o s 32( 1 )式 中 :( xi, yi) , i = 1 , 2 , , k 理 论 点 的 坐 标 , 则 E 的 轨
21、 迹 误 差 函 数 为 :F1( X ) =ki = 1 ( xi- Ex i)2+( yi- Ey i)2( 2 )( 2 ) 在 四 连 杆 机 构 中 传 动 角 具 有 十 分 重 要 的 作 用 , 传 动 角 越大 、 越 接 近 9 0 表 明 机 械 系 统 的 传 动 性 能 越 好 。 图 2 中 最 大 、 最 小传 动 角 可 以 表 示 为 :m a x= a c o sb2+ c2-( d + a )22 b cm i n= a c o sb2+ c2-( d - a )22 b cx%$%&( 3 )第 二 个 优 化 目 标 函 数 为 : F2( X ) =
22、( m a x- / 2 )2+( m i n- / 2 )2( 4 )2 . 2 设 计 变 量 的 确 定根 据 文 献1 3 可 知 3为 2的 函 数 , 因 此 取 设 计 变 量 为 :X = a , b , c , d , u , v , xA, yA, 1, 2( i) ( 5 )2 . 3 约 束 条 件 的 确 定( 1 ) 四 连 杆 曲 柄 机 构 , G80 G81 G82 G83 个 杆 G84 G85 G86 G87 G88 :g1( X ) = b + c - a - d 0g2( X ) = d + c - a - b 0g3( X ) = b + d - a
23、 - c 20( 6 )( 2 ) G89 G8A G85 G86 G87 G88 :am i n a am a xbm i n b bm a xcm i n c cm a xdm i n d dm a xum i n u um a xxA m i n xA xA m a xyA m i n yA yA m a x1 m i n 1 1 m a x2( i)m i n 2( i) 2( i)m a xx%$%&( 7 )3 G8B G8C G8D G8E3 . 1 N S G A - 简 介G8D G8E G8F 文 献1 4 在 G8D G8E G90 G91 G92 G8C G93 G8B
24、 G8C 的 , G94 要 G95 G96 为 G97 G98 小G8D G8E 计 G8D 的 G99 G9A G9B G9C G9D G97 G9E G9F GA0 GA1 GA2 GA3 GA4 G8E 、 GA5 用 GA6 GA7 G9B GA8 GA6 GA7G9B G8D GA9 、 GAA GAB GAC GAD GAE 数 s h a r e, GAF 具 有 GB0 GB1 GB2 GB3 GB4 GB5 , GB6 GB7 GB8 GB9 的 GBAGBB GBC GBD , G8F GBE GB8 GBF 理 GC0 目 标 GC1 GC2 的 优 GC3 G8D G
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- 基于 改进 nsga 算法 发动机 活塞 机构 优化 设计 夏尔冬
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