一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法

本发明涉及智能装配系统设计的，特别涉及一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法。

背景技术：

1、船舶船体、飞机机身等零部件都由大型柔性薄板拼接装配而成，此类薄板一般面内尺寸很大(即板的长度和宽度很大)，而板件的厚度很小，具有“大尺度”和“低刚度”的特点，因此在重力作用下很容易出现局部变形。大型柔性薄板一般使用“n-2-1”原则进行定位，然后通过焊接、铆接等连接方式两两进行拼接，从而装配成一块更大的薄板。装配定位过程中“n”个定位夹具的布局方案将直接影响大型柔性薄板的柔性变形，进而直接影响到大型柔性薄板的装配质量。

2、目前大型薄板装配过程中所使用的定位夹具主要采用固定的立柱式胎架结构，且将夹具按照等间距方式均匀分布在薄板投影平面内。由于船舶船体、飞机机身采用的大型薄板大多数具有复杂的型面，简单地将“n”个定位夹具进行均布并不能保证两板之间的装配间隙满足焊接或铆接前的最小间隙要求，从而会影响后续两板的焊接或铆接质量。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，结构简单合理，设计新颖，可有效防止灰尘杂质进入真空机械泵内部，有效提高了真空机械泵的使用寿命，自动泄压保护设备，实时检测装置内部压力，功能多样，使用效果好。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，包括以下步骤：

2、s1、构建大型柔性薄板三维模型，导出模型的数据交互文件；

3、s2、进行有限元网格划分，将模型的数据交互文件进行有限元网格划分后导出表单源代码文件；

4、s3、提取特征数据，读取表单源代码文件，进行材料属性、载荷分布和约束等参数设置后提取有限元网格结点坐标、薄板模型的刚度矩阵及薄板模型的力矩阵；根据n-2-1定位法，设置x与y向的约束点序号；

5、s4、粒子群算法寻优，利用改进的粒子群算法搜寻得到最优的z向夹具约束序号；

6、s5、优化结果的验证及可视化，利用得到的满足平均装配间隙最小的最优z向约束点和x与y向的约束点序号，在有限元分析中分别进行约束，得到薄板的形变云图，完成验证及可视化。

7、优选的，所述步骤s3中利用有限元分析软件进行分析，设定两块板的材料属性，密度、杨氏模量和泊松比。根据两块薄板装配拼接时的实际情况进行合理简化模型，设定两块薄板之间无相互作用，并加载重力，参数设定完成后，导出两块薄板的刚度矩阵和力矩阵分别记为k1、k2和f1、f2。

8、优选的，所述步骤s4中在随机产生的z向夹具约束序号序列中搜寻得到满足平均装配间隙最小的一组z向夹具约束序号。

9、优选的，所述步骤s5中通过有限元分析软件进行，在设定相关的材料属性、载荷属性后，利用所得到使得两块薄板装配处平均形变量最小的一组z向夹具约束序号对两块薄板中相应位置的z向进行约束，导出两块薄板形变的云图，实现验证和可视化。

10、优选的，所述步骤s1中薄板零件根据其实际尺寸与形状进行三维模型的构建，建模完成后，最终导出薄板模型的数据交互文件。

11、优选的，所述步骤s2中通过有限元网格划分工具对模型进行有限元网格划分，并导出模型的数据交互文件，从中提取两块薄板的有限元网格节点数目及每个结点的坐标。

12、本发明与现有技术相比，其有益效果是：

13、(1)与现有技术相比，本发明所述的一种基于改进粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，最终可以得到在给定一定数量的夹具条件下的最优夹具布局，能够较好地满足工程装配上的拼接要求且具有一定的普适性。

14、(2)本发明结合了粒子群算法，并对其进行了一些改进：改进惯性权重ω，使其随着适应度的变化而变化；改进速度的更新公式，引入收缩因子控制粒子更新速度的变化。经过改进，使得求解过程中粒子的收敛性增强，更有利于找到全局最优解并且提高了求解的时间效率。

15、(3)本发明能够自动搜寻满足薄板拼接处间隙最小的最优夹具布局，并通过引入自适应惯性权重、收缩因子、改进粒子位置更新方式等方法对传统粒子群算法进行了改进，在保证得到全局最优解的前提下提升效率，降低求解的时间成本，并将理论计算的结果在仿真模拟中得以呈现，为大型柔性薄板装配过程中夹具的布局提供优化方案。

技术特征：

1.一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，其特征在于，所述步骤s3中利用有限元分析软件进行分析，设定两块板的材料属性，密度、杨氏模量和泊松比。根据两块薄板装配拼接时的实际情况进行合理简化模型，设定两块薄板之间无相互作用，并加载重力，参数设定完成后，导出两块薄板的刚度矩阵和力矩阵分别记为k1、k2和f1、f2。

3.如权利要求1所述的一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，其特征在于，所述步骤s4中在随机产生的z向夹具约束序号序列中搜寻得到满足平均装配间隙最小的一组z向夹具约束序号。

4.如权利要求1所述的一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，其特征在于，所述步骤s5中通过有限元分析软件进行，在设定相关的材料属性、载荷属性后，利用所得到使得两块薄板装配处平均形变量最小的一组z向夹具约束序号对两块薄板中相应位置的z向进行约束，导出两块薄板形变的云图，实现验证和可视化。

5.如权利要求1所述的一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，其特征在于，所述步骤s1中薄板零件根据其实际尺寸与形状进行三维模型的构建，建模完成后，最终导出薄板模型的数据交互文件。

6.如权利要求1所述的一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，其特征在于，所述步骤s2中通过有限元网格划分工具对模型进行有限元网格划分，并导出模型的数据交互文件，从中提取两块薄板的有限元网格节点数目及每个结点的坐标。

技术总结
本发明公开了一种基于粒子群算法的大型柔性薄板夹具布局优化方法，包括：构建大型柔性薄板三维模型，导出模型的数据交互文件；有限元网格划分，将模型的数据交互文件进行有限元网格划分并导出表单源代码文件；特征数据提取，读取表单源代码文件，提取有限元网格结点坐标、薄板模型的刚度矩阵、薄板模型的力矩阵；利用改进的粒子群算法搜寻得到满足薄板拼接处间隙最小条件下的最优夹具布局；优化结果的可视化。本发明能够自动搜寻满足薄板拼接处间隙最小的最优夹具布局，在保证得到全局最优解的前提下提升效率，降低求解的时间成本，并将理论计算的结果在仿真模拟中得以呈现，为大型柔性薄板装配过程中夹具的布局提供优化方案。

技术研发人员：刘畅辉,郑瀛,金珂,苏勇搏,陈少同,王晶
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13