(涂绪荣)凸轮形状优化的遗传算法

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1、凸轮形状优化的遗传算法摘要本文概述了遗传算法的初步设计和凸轮的形状优化的计算机辅助方法凸轮经营机制。工作的主要目标是建立一个完整的系统化的方法初步凸轮形状设计包括凸轮外形设计自动化和真正的凸轮形状优化与CAM模拟计算机模型机制。通常情况下，凸轮截面形状的优化是一个二维几何多目标优化问题形状在很大程度上制约的环境。为了说明基于遗传算法的凸轮形状优化方法，凸轮形状设计实例说明，其更传统的设计相比，遗传算法设计一个凸轮形状对口。关键词：遗传算法;形状优化;凸轮机构1:简介基于遗传算法（GA）的形状优化[1]，一般进化算法（EA）的基础

2、上，是一个相对年轻的和潜在的研究领域。然而，笔者知道目前超过100篇，其中基于遗传算法的几何边界形状优化受到调查。这些大部分自1995年以来已发表的文章，只有少数文章已发表在1990年之前。利息对进化形状优化技术研究似乎刚刚开始增长，而不是达成一个稳定和成熟的状态。目前最流行的EA为基础的应用领域形状优化似乎是形状优化连接与计算流体动力学（CFD），尤其是空气动力学领域中的形状优化飞机的设计，例如[2-10]。也许多形状从电场中提出的优化问题工程已根据最近的调查，例如[4,11-14]。虽然进化形状优化的力度研究目前在航空航天领

3、域的最高工程和电气工程，难以形优化问题是在许多其他领域的共同以及。在未来，最具发展潜力的地区之一无疑是EA基于形状优化的应用机械工程，因为机器部件设计通常包括形状的决心和优化组件的功能表面。在现场机械工程，除了凸轮形状优化讨论这篇文章中，进化形状优化方法也已应用于形状优化：一个应变式称重传感器[15]，一个悬臂梁，扭矩臂[16][16]，一个球形的压力船[16]和一个圆锥形的支点轴承杂志[17]。仅仅提几个例子。本文重点讨论的一个结果概述研究项目中，我们已经开发了计算机辅助外形设计的设计和优化方法valvecam的内燃机[18-

4、23]凸轮用于经营的柴油燃油喷射装置[23,24]。1.1:凸轮机构在机械工程领域，凸轮曲柄机构的机制是最常见的类型，机制转换为旋转运动有控制的往复运动。如图凸轮机制的一个例子。图1圆盘式凸轮如图。1是偏心和它的形状不对称叶。凸轮安装到旋转凸轮轴是由操作系统的设备驱动。在一个内燃机，经营的情况下设备是发动机的主电源输出轴通过发动机正时齿轮。凸轮从动件的转换凸轮往复运动的旋转运动并将其传输到操作装置。动作凸轮从动件是依赖于边界形状凸轮轮廓的凸轮控制的往复运动它的形状。在内燃机的情况下，操作装置的阀门机制（图2）。图1：凸轮机构的旋

5、转运动转换凸轮轴有控制凸轮从动件的往复运动。凸轮控制它的形状跟随动作。凸轮从动件传输操作装置的运动。因此，最佳的凸轮形状需要一个凸轮系统的优化运行。图2：凸轮的内燃机阀机制（气门）和其等效质量/弹簧系统。1质量体系显示这里只为了清晰。通常情况下，我们必须使用4-10大规模系统，一个气门的计算机仿真模型。凸轮从动件。典型的凸轮的设计目标是最大的凸轮从动件运动的上升和返回率，凸轮和最低之间的瞬间接触力跟随同时与最低的动力的波动。通常还依赖一个或多个任务操作装置性能的措施属于目标。因此，目标的目标功能经营凸轮的机制和设备的属性所施加的

6、限制设计和约束条件。1.2：阀门机制气门大会的功能（图2）在打开和关闭的进气和排气煤气阀内燃机。凸轮的功能是气门运动控制凸轮行动，从而它的形状。气门组件的回报力适用于气门弹簧。气门弹簧也需要保持凸轮及其之间的联系追随者。由于气门的最大加速度组件可以高达2000ms-2，甚至更高，气门组件在极端能动力量。由于以动态的力量和组件的灵活性，可以整个气门机械地视为一个振动系统（图2），转换存储到自由能的原因受迫振动。为了计算的影响气门的动态力量在CAM经营周期，气门模拟器方案基础上的数学模型气门，使用。图3说明的动力由于弯曲下的能动力量

7、，其组成部分，通过比较计算机阀机制的波动计算假设的结果与模拟结果该机制的组成部分，是没有刚体曲。一个适当的控制是影响凸轮机构的动态力量CAM设计的主要目标之一。由于凸轮的气门控制其形状必须设计，将可避免不必要的动力波动。图3。典型的力量波动期间CAM经营周期阀机制。valvecam追随者的大型柴油发动机的动力，在凸轮发动机的运行速度500转/分的经营周期影响显示。刚体假设与不使用仿真模型的计算机模拟结果进行了比较。2：凸轮的形状参数化凸轮的形状优化的任务是通过转换参数值优化任务的B样条曲线[19,23,25,26]形状的代表性。

8、CAM边界的形状是代表一个B样条曲线如图。4。形状是指由40个浮点值分配到相应的控制点的B样条曲线。因此B样条曲线的控制点坐标为凸轮的形状设计变量。要优化形状，分配给控制点的值必须优化。那么，至少在原则上，任何非线性参数优化方法可以用来解决这个优化任务，从而优化