专利名称：基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法
技术领域：
本发明涉及一种揭盖机液压缸支承座的优化设计方法，尤其涉及一种基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，属于高炉冶炼技术领域。
背景技术：
高炉冶炼的环保要求越来越高，目前新建的高炉基本上都要求使用揭盖机。揭盖机的作用是移动沟盖，在高炉出铁时盖上沟盖(避免扬尘、喷溅、热辐射等)，铁水出完后将沟盖移走。检修时，揭盖机需要将沟盖移动到检修吊车能够作业的区域。旋转式揭盖机(专利公开号CN 101445846A)具有整体设计小巧，高度矮，能适应高炉“顶吸+侧吸”的抽尘要求等特点。在实际应用中，由于采用液压缸提升杠杆臂并和旋转座一起做旋转提升的动作时，液压缸支承座受到复杂的交变载荷作用力，会产生应力集中，是整个旋转式揭盖机受力的支撑关键部件，其结构设计极为重要。因此，在保障液压缸运动与支承座不发生干涉的情况下，对液压缸支承座进行优化设计在整个揭盖机的设计至关重要。检索现有专利发现上海交通大学朱平等申请专利“基于响应面法的轿车车身零件轻量化方法”(公开号CN 1758255A)将响应面方法应用于汽车零件轻量化中，取得很好的减重效果。本发明与其不同之处在于，针对揭盖机的液压缸支承座设计特点，提出基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，首先，高炉冶炼设备属于重工业设备，不以轻量化为主导，而注重于在各种复杂交变载荷作用下的应力分布设计优化。其次，本发明采用拉丁超立方实验设计方法，能够以较少的采样点最大限度的覆盖整个设计空间，具有较好的计算性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对揭盖机液压缸支承座受复杂交变载荷的作用易产生应力集中的问题，提供一种基于响应面的快捷、智能的液压缸支承座结构优化设计方法。其中，采用了实验设计方法、有限元计算技术、响应面近似模型技术和优化算法技术等，使得整个设计优化过程快速、有效，并且易于工程人员掌握。本发明提供的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，是一种基于响应面的差值拟合理论，预测优化揭盖机液压缸支承座最优设计方案的方法，其步骤包括
(1)确定液压缸支承座的基本外形及初步尺寸
分析揭盖机液压缸支承座的受力与应力分布，确定支承座的外形及初步尺寸，完成概念设计；
(2)分析并定义影响液压缸支承座形状的尺寸变量、定义域及其相互约束关系 在保证支承座承载能力的基础上，分析影响其形状的尺寸变量，包括钢板长、宽、倾斜
角度，过渡圆角半径，以及焊缝坡口尺寸等，定义变量的相互几何约束，并给定这些变量的定义域；(3)采用拉丁超立方实验设计方法对设计空间进行采样
将唯设计空间中的每一维均勻划分为i个等量区间，并在每个等量区间内随机采样，实现对每一维坐标轴进行均勻覆盖，最终实现通过i个采样点覆盖整个液压缸支承座的设计空间；
(4)有限元软件仿真计算油缸支承座的应力、应变
依据样本数据进行实体建模，利用有限元方法分析液压缸支承座的应力响应，得到样本数据所对应的结构形式的应力，即为整个设计空间中样本数据的响应值；
(5)构建响应面模型并进行评估
用样本数据及应力值构建响应面近似模型，得到模型f = /( , ,... ),并对响应面模型的精度进行评估，式中，F表示采用有限元方法得到的样本数据响应值，巧，而，... 表亍
组采样数据值，/Θ表示6, ,... ,与:r之间的函数关系；
(6)构建、求解数学优化模型并确定最终方案
构建数学优化模型，求解最小应力值，并采用有限元方法进行验证，确定支承座最优化设计方案；
经过上述步骤，实现基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计。本发明实现步骤(3)的方法可以是每一维坐标轴代表一个设计变量，因此个 设计变量即组成唯设计空间。设计人员按照设计规范和要求，确定/个采样点，然后分别对《维的坐标均勻划分力段区间，整个设计空间就被划分为尸个子空间，从中选择i个子空间，i个采样点分别随机分布在这I个子空间内部，并且保证每个子空间内部只有一个采样点，在这种机制的规范下，只采用/个采样点即可覆盖整个揭盖机液压缸支承座的空间， 每维坐标的采样点为I个。本发明实现步骤(4)的方法可以是获得的‘组采样数据，是相关结构的外形变量尺寸值，根据这些尺寸值，完成揭盖机液压缸支承座三维实体建模。然后对此三维实体模型添加边界条件及相关约束，采用有限元方法进行计算，得到样本数据尺寸所确定的结构形式的应力。得到的应力值即为整个液压缸支承座设计空间中样本数据的响应值。本发明实现步骤(5)的方法可以是对应支承座尺寸变量1,在确
定的边界条件及约束后，得到应力值 ' = [Λ>Λ,..·Λ]，然后构建响应面方法，对实际得到的
相关数据做多项式逼近处理以获得尺寸变量与结构应力之间的近似模型r =/0 , ,... )
，最后采用包括最大绝对误差，最大真实误差，平均绝对误差、平均真实误差和平均误差指标，评估响应面近似模型的精度。本发明实现步骤(6)的方法可以是构建响应面近似模型后，以支承座的外形参数的几何关系和重型机械设计相关标准为约束，以支承座所受应力为优化目标，建立数学优化模型进行函数优化，获取整个设计空间中的最优数值解，最后，采用有限元计算方法对优化得到的最佳方案进行验证，确定支承座的最优化设计方案。所述数学优化模型为前面所述的基于变量if = , ,... ]与应力值7=[Λ，·>ν.·Λ]建立的响应面模型，表示出了液压缸支承座变量与应力之间的非线性函数
关系7 = /( ,4,... )。由于液压缸支承座的结构设计影响其工作时的应力变化，所以，以
优化模型以^ =/ , ,... )为目标函数，以变量之间的几何关系、相关重型机械设计标准为约束，建立数学优化模型。本发明采用有限元计算方法对优化得到的最佳方案进行验证的方法可以是由于采用数学优化模型得到的最优解是在近似模型的基础上计算获得，存在一定误差，所以本发明在计算获得最优解后，采用有限元模型对数值计算的最优方案进行分析，验证基于响应面的数值优化计算得到的应力值是否真实，保证整个发明计算过程与结果的可信度。所述支承座的最优化设计方案是传统的有限元计算方法，只能试算整个液压缸支承座设计空间中的几个设计方案，采用手工设计的方法很难得到全局最优方案。本发明采用基于响应面模型的数学优化模型为指导，保证计算结果为整个设计空间的最优解，即在揭盖机液压缸支承座设计方案中，这种设计变量所确定的结构受交变载荷后应力最小。本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果
1.计算速度快，缩短揭盖机的开发设计时间。即使是采用先进的有限元计算软件能够较为准确并快速的仿真支承座的受力情况，但是对于不同的变量，工程设计人员需要进行大量的方案仿真计算，时间花费大。本发明在实验设计采样的基础上，经过少量采样计算， 即可确定支承座最优化设计方案。2.设计方案最优。传统手工计算的方法，即使经过大量的变量修改，也不能保证整个支承座的设计方案最优。本发明通过智能优化方法能够得到液压缸支承座的整个设计空间的最优设计方案。便于指导工程设计人员对进行最优结构设计。3.计算精度高。采用先进的响应面模型对支承座的变量值和应力响应值进行近似建模，能够通过选择响应面模型的阶数保证整个计算过程的精度，误差控制在10_6mm以内， 足够满液压缸足支承座设计要求。4.在液压缸支承座的设计中，采用了拉丁超立方实验设计方法，实现了利用有限采样点最大限度的覆盖整个支承座设计变量组成的设计空间。
图1为本发明的流程示意图。图2为揭盖机液压缸支承座的结构示意图。图3为图2的俯视图。 图4为& , X2相对于y的三维图。图5为等高线图。图6为而，X3相对于y的三维图.
图7为等高线图。图8为实验采样点处近似值与真实值误差图。图9为实验采样点处近似值与真实值残差百分比图。图中1.提升液压缸；2.液压缸支承座；3.旋转座。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。本发明提供的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其流程如图1所示，步骤包括
1.确定液压缸支承座的基本外形；
在满足揭盖机液压缸支承座的所有功能的基础上，分析整个支承座的受力与应力分布，根据设计规范及经验，确定支承座的外形及初步尺寸等，完成初步概念设计。具体是旋转式揭盖机通过提拉旋转将沟盖移动到工作位或者检修位，提拉沟盖的动作主要是通过提升液压缸推动杠杆臂完成。因此液压缸支承座是整个揭盖机完成其揭盖功能的关键部件，极易产生应力集中。支承座上的开孔用于将液压缸固定于支承座上。由于整个提升过程会产生1. OBXlO6N的交变载荷，根据设计经验需要在支承座的上部做成斜拉式的结构。但是，由于受到液压缸行程摆动的影响，标准的直线式斜拉结构受到限制，所以初步确定方案为图2所示，带圆弧过渡的斜拉式结构，其中各个变量如何最终确定需要进行优化设计，如果采用人工组合各种方案需要大量的人力和计算时间。2.分析并定义影响液压缸支承座形状的尺寸变量、定义域及其相互约束；
经过概念设计，在保证支承座有足强度的基础上，确定影响其形状的尺寸变量如钢板长、宽、倾斜角度，过渡圆角以及焊缝坡口尺寸等，定义这些变量的相互约束。并根据重型机械标准以及设计规范，确定这些变量的定义域。例如如图2和图3所示，提升液压缸1固定在液压缸支承座2上，液压缸支承座焊接到旋转座3筒壁上。根据实际设计需要，定义四个支承座的主要设计尺寸变量，A 支
承座上横向倾斜角度；而支承座上竖向倾斜角度， -支承座上过渡圆弧半径，飞4 支承座总高度。图2和图3中D为固定值275mm。定义各个变量的定义域而€
,单位度(")；& e[5，45],单位度
% e [30,60],单位mm ; A e [ 380,450],单位mm，并确定四个变量的初始值为巧=10 , x2 = 40, X3 = 50 , x4 = 380。3.采用拉丁超立方实验设计方法对空间进行采样；
拉丁超立方方法是一种均勻采样的实验设计方法，能够实现以较少采样点最大限度覆盖整个设计空间特点的目的。在揭盖机液压缸支承座设计优化过程中，定义每一维坐标轴代表一个设计变量，因此， 个设计变量即组成《维设计空间。由于高维设计空间的计算代价高，计算时间长，所以，采用拉丁超立方方法对整个唯揭盖机液压缸支承座的空间进行数值采样，以达到用较少采样点最大限度覆盖整个设汁空间的目的。设计人员按照设计规范和要求，确定个采样点，然后分别对《维的坐标均勻划分力 段区间，整个设计空间就被划分为广个子空间，从中选择？个子空间，/个采样点分别随机分布在这/个子空间内部，并且保证每个子空间内部只有一个采样点，在这种机制的规范下，实现以/个采样点最大限度覆盖整个支承座设计空间的高效率采样。
例如以4个设计变量(巧，巧，Λ3 , X4 )组成4维设计空间。采用拉丁超立方方法
对整个4维揭盖机液压缸支承座的空间进行数值采样，以达到用较少采样点最大限度覆盖整个设计空间的目的。设计人员按照设计规范和要求，确定15个采样点，然后分别对4维的坐标均勻划分为15段区间，整个设计空间就被划分为154个子空间，从中选择15个子空间，15个采样点随机分布在这个15个子空间内部，并且保证每个子空间内部只有一个采样点，在这种机制的规范下，达到用较少采样点最大限度的覆盖整个设计空间的目的。4.有限元软件仿真计算油缸支承座的应力、应变；
获得的组采样数据，是相关结构的外形变量尺寸值，根据这些尺寸值，完成揭盖机液压缸支承座三维实体建模。然后对此三维实体模型添加边界条件及相关约束，采用有限元方法进行计算，计算样本数据尺寸所对应的结构形式的应力。此应力值即为整个液压缸支承座设计空间中样本数据的响应值。例如本实施例获得的15组采样数据(如表1所示)，是相关结构的外形变量尺寸值，根据这些尺寸值，完成揭盖机液压缸支承座三维实体建模。然后对此三维实体模型添加边界条件及相关约束，采用有限元方法进行计算，得到样本数据尺寸所对应的结构形式的应力。得到的应力值即为整个液压缸支承座设计空间中样本数据的响应值Y。详细响应值数据见表1。5.构建响应面模型并进行评估
对应支承座外形变量14 ,... ],在确定的边界条件及约束后，得到的应力值
F = Ly1J2,...Λ],特别是对于结构较为复杂的分析对象，XJ之间是一种未知的高度非线
性关系，经典的材料力学无法求得其函数关系。响应面方法，是一种利用统计学和数学的知识，通过简单的表达式对实际得到的相关数据做多项式逼近处理以获得外形参数与结构应
力之间的近似模型F = /( ,5,... ),有利于进一步进行支承座的结构分析计算。响应面模
型建立后，采用最大绝对误差，最大真实误差，平均绝对误差、平均真实误差和平均误差等指标，评估响应面近似模型的精度。例如根据表1中的采样点尺寸变量值和应力值，以I= ( , , }为尺寸变量，以Y为响应，采用响应面近似模型进行建模，得到二次响应面的表达式如下
y = α9655 +6.4852 - 0.0542 -1.011 - 4.456 — 03283 2 -1667 - 0.944 2
-1.715 + 2.57 x2x3 -1.06 2-1.519χΛ — 0.604χ3χ4 +3.367 X3X4 + 3.493 2
图4和图5分别为巧，X2相对于y的三维图与等高线图，图6和图7分别为&，而相对
于y的三维图与等高线图。对得到的响应面模型中每个实验采样点进行误差评估，得到评估指标值如下
最大绝对误差2. 8422X 10_13最大真实误差1. 6241 X 10_13
平均绝对误差1. 1842 X 10_13平均真实误差8. 0544X 10_13
平均误差 4. 4527Χ1(Γ13
5项评估指标说明，计算得出的响应面模型与真实采样点之间的误差在10_13级别，在工程设计项目中这样的误差绝对能够满足要求。图8为实验采样点处近似值与真实值误差图，图9为实验采样点处近似值与真实值残差百分比图。从图8和图9中看出在第9组采样点处近似值与真实值的误差最大，在第4组采样点出近似值与真实值的误差最小。不过都控制在l(T12mm范围之内。6.构建、求解数学优化模型并确定最终方案。构建响应面近似模型后，以支承座的尺寸变量之间几何关系和重型机械设计相关标准为约束，以支承座所受应力为优化目标，建立数学优化模型进行函数优化，求解整个支承座设计空间中的最优数值解。按照最优解数值并结合工程应用要求，确定尺寸变量的最优取值。最后采用有限元计算方法对优化得到的最佳方案进行验证，确定支承座的最终优化设计方案。例如本实施例在建立了设计变量Z= 6, , }与应力ν的响应面近似模型
后，确定优化的数学模型如下 求目标函数最小值
7 = 0.9655+6.4852 -0.0542 -1.011 -4.456^-0.5283 2 -1.667 -0.944 2
-IJiSX1X3 + 2.57 X2X3 -1 ■ 06xj -1.519 X1K4 - 0. 604.T2X4 +3,367 +3.493x^
约束为0^x1《15 ； 5<X2 <45 ；30<X3^60 ； 380< A4 <450 ;y>()
用蚁群优化算法，求得上述数学模型的最有解为
X1 = 14.6° , I2 = 44,2 mm, X3 = 58° , x4 = 448.76 mm,此时，7 = 73.659 Mpa
根据实际机械设计规范与经验，对上述四个变量取整为 X1 = 15°，X2 = 45 mm, = 60°，X4 = 450 mm,
遵循上述设计变量的取值建立三维模型，设定实际工况边界条件与约束，并进行有限元方法进行计算，得到最大应力值为75.9Mpa。利用设计变量的初始取值巧=10° , ^2 = 20
mm, x3 = 50- , x4 = 380 mm,进行有限元计算得到应力最大为168Mpa。采用此发明方法设计前
后液压缸支承座设计变量与应力对比结果如表2所示，优化后的液压缸支承座应力比优化前降低54. 8%。上述实施例子的详细步骤与结果表明，本发明提出的基于响应面的旋转式揭盖机液压缸支承座优化设计方法，结合拉丁超立方采样方法，并基于响应面近似模型，获得支承座最优设计方案，优化后将应力降低了 54. 8%。解决了原始手工进行设计优化无法获得支承座整个设计空间最优解的问题，此发明提高了液压缸支承座的设计开发效率，缩短产品开发周期，并且通过智能计算方法辅助设计人员获得可靠性高的液压缸支承座最优化设计方案。附表
表1实验采样数据及应力响应
权利要求
1.一种基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其特征是一种基于响应面的差值拟合理论，预测优化揭盖机液压缸支承座最优设计方案的方法，其步骤包括(1)确定液压缸支承座的基本外形及初步尺寸分析揭盖机液压缸支承座的受力与应力分布，确定支承座的外形及初步尺寸，完成概念设计；(2)分析并定义影响液压缸支承座形状的尺寸变量、定义域及其相互约束关系 在保证支承座承载能力的基础上，分析影响其形状的尺寸变量，包括钢板长、宽、倾斜角度，过渡圆角半径，以及焊缝坡口尺寸等，定义变量的相互几何约束，并给定这些变量的定义域；(3)采用拉丁超立方实验设计方法对设计空间进行采样将《维设计空间中的每一维均勻划分为/个等量区间，并在每个等量区间内随机采样， 实现对每一维坐标轴进行均勻覆盖，最终实现通过I个采样点覆盖整个液压缸支承座的设计空间；(4)有限元软件仿真计算油缸支承座的应力、应变依据样本数据进行实体建模，利用有限元方法分析液压缸支承座的应力响应，得到样本数据所对应的结构形式的应力，即为整个设计空间中样本数据的响应值；(5)构建响应面模型并进行评估用样本数据及应力值构建响应面近似模型，得到模型f = /( , &，...％),并对响应面模型的精度进行评估，式中，f表示采用有限元方法得到的样本数据响应值， , ，... ,表示I组采样数据值，/(·)表示. 与F之间的函数关系；(6)构建、求解数学优化模型并确定最终方案构建数学优化模型，求解最小应力值，并采用有限元方法进行验证，确定支承座最优化设计方案；经过上述步骤，实现基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计。
2.根据权利要求1所述的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其特征在于实现步骤(3)的方法是每一维坐标轴代表一个设计变量，因此，微个设计变量即组成皿维设计空间；设计人员按照设计规范和要求，确定I个采样点，然后分别对.w维的坐标均勻划分为I段区间，整个设计空间就被划分为广个子空间，从中选择/个子空间，/个采样点分别随机分布在这/个子空间内部，并且保证每个子空间内部只有一个采样点，在这种机制的规范下，只采用/个采样点即可覆盖整个揭盖机液压缸支承座的空间，每维坐标的采样点为 /个。
3.根据权利要求1所述的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其特征在于实现步骤(4)的方法是获得的I组采样数据，是相关结构的外形变量尺寸值，根据这些尺寸值，完成揭盖机液压缸支承座三维实体建模；然后对此三维实体模型添加边界条件及相关约束，采用有限元方法进行计算，得到样本数据尺寸所确定的结构形式的应力；得到的应力值即为整个液压缸支承座设计空间中样本数据的响应值。
4.根据权利要求1所述的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其特征在于实现步骤(5)的方法是对应支承座尺寸变量14 , ,... ]，在确定的边界条件及约束后，得到应力值F = [Λ，Λ，. ·Λ]，然后构建响应面方法，对实际得到的相关数据做多项式逼近处理以获得尺寸变量与结构应力之间的近似模型F =/( , ,... )，最后采用包括最大绝对误差，最大真实误差，平均绝对误差、平均真实误差和平均误差指标，评估响应面近似模型的精度。
5.根据权利要求1所述的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其特征在于实现步骤(6)的方法是构建响应面近似模型后，以支承座的外形参数的几何关系和重型机械设计相关标准为约束，以支承座所受应力为优化目标，建立数学优化模型进行函数优化，获取整个设计空间中的最优数值解，最后，采用有限元计算方法对优化得到的最佳方案进行验证，确定支承座的最优化设计方案。
6.根据权利要求5所述的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其特征在于所述数学优化模型为前面所述的基于变量1 = , ，…U与应力值J7 = Ly1.外…W 建立的响应面模型，表示出了液压缸支承座变量与应力之间的非线性函数关系 7 = / 由于液压缸支承座的结构设计影响其工作时的应力变化，所以，以优化模型以F = /0^ .... )为目标函数，以变量之间的几何关系、相关重型机械设计标准为约束，建立数学优化模型。
7.根据权利要求5所述的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其特征在于采用有限元计算方法对优化得到的最佳方案进行验证的方法是在计算获得最优解后， 采用有限元模型对数值计算的最优方案进行分析，验证基于响应面的数值优化计算得到的应力值是否真实，保证整个发明计算过程与结果的可信度。
8.根据权利要求5所述的基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其特征在于所述支承座的最优化设计方案是采用基于响应面模型的数学优化模型为指导，保证计算结果为整个设计空间的最优解，即在揭盖机液压缸支承座设计方案中，这种设计变量所确定的结构受交变载荷后应力最小。
全文摘要
本发明涉及基于响应面的揭盖机液压缸支承座优化设计方法，其是一种基于响应面的差值拟合理论，预测优化液压缸支承座最优化设计方案的方法，其步骤为(1)确定液压缸支承座的基本外形及初步尺寸；(2)分析并定义影响液压缸支承座形状的尺寸变量、定义域及其相互约束关系；(3)采用拉丁超立方实验设计方法对空间进行采样；(4)采用有限元方法分析液压缸支承座的应力响应；(5)构建响应面模型，并对模型精度进行评估；(6)构建数学优化模型，求解最小应力值，并采用有限元方法进行验证，确定支承座最优化设计方案。本发明能够大量缩减计算时间，降低计算成本，并且能够获得高质量、可靠的揭盖机液压缸支承座设计方案。
文档编号G06F17/50GK102360402SQ201110328429
公开日2012年2月22日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者尉强, 康晓鹏, 张华军, 田兆营, 褚学征, 谭辉, 陈方元 申请人:中冶南方工程技术有限公司