一种CDC电磁阀电磁力比例特性的多目标优化设计方法

本发明属于cdc电磁阀设计领域，涉及一种cdc电磁阀电磁力比例特性的多目标优化设计方法。

背景技术：

1、半主动减震器被应用于部分高端汽车，以提供更高级别的车辆稳定性和乘坐舒适性。cdc(controlled droplet dispensing)电磁阀作为半主动减震器系统的核心部件，其性能直接影响减震器的控制精度及阻尼调节能力。目前，cdc电磁阀在半主动减震器系统中的应用已经相对成熟，而如何进一步提高产品性能成为了研究的热点。传统设计方法主要依赖经验和试错，缺乏系统性的分析和优化方法，在性能达到较为优良的情况下，进一步优化的成本大幅提高而效率极低。尤其是cdc电磁阀的核心性能参数为电磁力的比例特性及力值，作为特性曲线难以直接用数字衡量，因此无法直接适用多目标算法进行最优结构参数组合方式的求解，导致始终缺乏高效高精度的结构优化手段。

2、基于上述背景和挑战，开发一种专门用于半主动减震器的cdc电磁阀电磁力特性和结构参数的多目标优化设计方法成为当前的研究热点，其在提升半主动减震器系统的性能和驾乘体验方面具有重要的应用价值。

3、专利cn 110263463a提出了一种基于ansys maxwell软件电磁感应特性分析方法，分析了螺管式电磁阀结构与性能之间的作用规律，但其仅能判断宏观结构问题，对cdc电磁阀仅有借鉴意义。专利cn202210972274.1提出了一种适用多目标算法对电磁阀进行结构优化的方法，普通电磁阀核心性能参数能够用数值衡量，可直接使用算法进行优化，而cdc电磁阀核心性能为特性曲线无法直接使用多目标算法进行优化工作。专利cn 114048705 a提出了一种可调阻尼减振器的模糊控制方法及控制系统，主要从cdc电磁阀反馈控制的角度进行优化以达到提高产品性能的目的，并非针对产品的内部结构参数进行研究。

4、针对上述问题，本专利旨在为cdc电磁阀建立可用于多目标优化算法的电磁力比例特性数学模型，使其能够通过多目标优化算法进行结构参数优化，寻求使cdc电磁阀达到最优综合性能的结构参数组合方式。

技术实现思路

1、为提供一种能够适用于cdc比例电磁阀电磁力特性曲线的多目标优化方法，本发明致力于提出一种cdc电磁阀电磁力比例特性的多目标优化设计方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:

3、一种cdc电磁阀电磁力比例特性的多目标优化设计方法，步骤如下：

4、a、建立cdc比例电磁阀的等效模型

5、所述cdc比例电磁阀包括调节机构1、调节弹簧2、阀芯3、动铁芯隔磁环4、隔磁环5、支撑弹簧6、阀盖7、线圈8、阀座9；其中动铁芯4与导磁套2为间隙配合，阀芯3与动铁芯4为过盈配合，动铁芯3在工作时受到电磁力作用，阀芯3受到支撑弹簧和调节弹簧的共同作用，所以动铁芯4和阀芯3共同组成的整体受到电磁力和弹簧力的综合作用。根据有限元仿真的技术特点，对cdc比例电磁阀进行结构等效简化处理，建立二维轴对称仿真模型。

6、b、建立电磁力比例特性算法适用数学模型

7、为使电磁力特性曲线能够采用数值衡量，进而使其适用于算法，提出了一种数学模型的建立方法，该数值能衡量产品(cdc比例电磁阀)兼顾电磁力大小及电磁力在工作区间保持恒定的能力，公式如下：

8、

9、式中，s为电磁力比例特性衡量指标，用作算法寻优指标；n为选择实验点个数；xi为第i个实验点的电磁力数值。

10、c、选择目标优化结构参数

11、根据电磁学原理及仿真实验分析，对cdc比例电磁阀的电磁力特性影响较大的参数包括隔磁环5长度、隔磁环5位置、以及极靴底座9形状，因此为使在产品在原有体积不发生改变的情况下，获得更优良的比例特性及更大的电磁力，将隔磁环5长度、隔磁环5位置、以及极靴底座9形状作为优化的结构参数，将电磁力的比例特性作为优化目标；

12、基于响应曲面法建立m组实验参数，如本发明中选择了三个结构参数作为输入变量，则在响应曲面法实验数据生成软件中输入各结构参数的区间范围，软件将根据变量数目及变量区间范围生成m组实验参数，对生成的实验参数进行标准化处理，公式如下：

13、

14、y′＝y

15、

16、式中，x为隔磁环5长度，y为隔磁环5位置，z为极靴底座凸台9宽度，x′为标准化处理后的隔磁环5长度值，y′为标准化处理后隔磁环5位置值，z′为标准化处理后的靴底座凸台9宽度值，xmax为隔磁环5长度取值上限，xmin为隔磁环5长度取值下限，ymax为隔磁环5位置取值上限，ymin为隔磁环5位置取值下限，zmax为极靴底座凸台9宽度取值上限，xmin为极靴底座凸台9宽度取值下限；

17、d、进行有限元仿真分析建立仿真数据库

18、使用maxwell电磁仿真软件依次按照步骤c中建立的实验组，对步骤a中建立的等效模型对应的结构参数进行修改，修完完成进行求解分析，对等效模型的电磁力比例特性进行仿真求解，其中电磁力比例特性包括：动铁芯在工作区间内所受电磁力大小仅与驱动电流呈比例关系的能力以及电磁力均值的大小，求解完成后根据仿真结果建立仿真数据库：

19、d1、将等效模型导入2d magnetostatic求解器，依次按照实验组中设计的各结构参数值对等效模型进行修改，修改完成后对各部件进行材料参数定义，将动铁芯4设置为软磁材料，隔磁环5、阀盖7、及阀座9设为高导磁率材料，阀芯3和隔磁环5设为非导磁金属，其余不影响磁场分布的部件设置为非导磁材料，点击assign boundary选项，创建balloon求解域，设定为气球边界，完成求解区域边界条件的设定；

20、d2、根据调节弹簧2和支撑弹簧6的胡克系数及有效伸缩量，定义动铁芯3的运动域及运动方向，设置动铁芯3所受弹簧力曲线，公式如下：

21、force＝(k1+k2)x

22、式中，force为动铁芯3所受负载力大小，k1为调节弹簧的虎克系数，k2为支撑弹簧的虎克系数，x为动铁芯3的位移量；

23、d3、对建立的等效模型进行有限元网格划分，具体的：选中等效模型中的动铁芯4、隔磁环5、阀盖7、及阀座9，使用软件网格划分工具进行设置，点击mesh operation→lengthbased，输入划分网格的体积，完成有限元网格的划分；

24、d4、设计激励源形式为外电路驱动，在maxwell电路编辑器中对电路系统进行设置，所述电路系统包括激励源、电阻和线圈6，与产品实际的驱动电路保持一致；设置完成后，导入到2d magnetostatic求解器中；

25、d5、设定完成后对建立的有限元模型进行仿真分析，分析结果中能够生成cdc比例电磁阀关键性能参数的数据，其中包括电磁力特性曲线。按照步骤c中设计的实验数据组，改变结构参数后返回步骤d1，直到求解获得所有的实验数据组的仿真分析结果，将结果保存记录，电磁力特性曲线带入步骤b中所建立的数学模型中，得到输出目标值；

26、e、利用人工神经网络构建输入变量与输出变量之间的拟合函数

27、基于步骤c构建的实验数据组，选择标准化处理后的结构参数取值组合作为输入变量，代入到步骤b中所建立的数学模型中的电磁力特性曲线作为输出变量。选择实验数据组中75％-80％的数据作为训练集，其余20％-25％数据作为测试集训练网络，对数据库进行多次训练，直到训练结果中的函数相关性大于0.9，完成cdc电磁阀结构参数与电磁力比例特性之间的拟合函数构建；

28、f、利用杜鹃多目标搜索算法对cdc电磁阀的结构参数进行多目标优化

29、f1、构建多目标优化算法的适应度函数；利用步骤e得到的拟合函数构建遗传算法的适应度函数如下:

30、

31、其中，indexi为种群中第i个个体的适应度；h′i和f′i分别为种群中第i个个体的电磁力均值以及发热功率均值，个体适应度越高，indexi值越小，电磁力均值及电磁力在工作区间内保持恒定特性的能力变越强，cdc比例电磁阀的性能越高；

32、f2、利用杜鹃多目标搜索算法寻找最优解集；在结构参数的取值范围内，初始化种群，随机生成初始巢的位置，设置最大迭代次数t；计算当前鸟巢的适应度值；采用莱特飞行的方式对鸟巢位置进行更新，计算更新后所有鸟巢的indexi值，对比新鸟巢与旧鸟巢的indexi值的大小，保留indexi值更小的鸟巢，循环执行此过程，直到循环次数等于最大迭代次数t并将最终产生的种群输出作为最优解集；

33、进一步的，所述步骤b中的组数n根据实验参数取值范围的不同进行计算。

34、本发明的有益成果为：

35、1)本发明提出了一种衡量cdc电磁阀电磁力的比例特性的数学模型，能够解决电磁力比例特性作为特性曲线无法适用于算法评估的问题。

36、2)本发明应用了电磁仿真技术，相比传统的设计方法更加高效、精确。

37、3)本发明提出了将杜鹃多目标搜索算法应用到cdc比例电磁阀的结构优化的方法，能够实现产品结构的高效、高性能优化。