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机械设备管路自动敷设设计方法的研究

封海波  
【摘要】:随着工业化的不断发展,各种管路在汽车、舰船、化工、航天、航空等机械设备中得到了广泛的应用,但同时由于这些机械设备结构复杂、零部件繁多、集成性高和内部装配空间小等特点,管路敷设严重地制约着这些机械设备的研制速度和生产周期。长期以来,机械设备中的管路敷设设计(PLD)主要是由人工完成,这使管路敷设设计很大程度上依赖人的实践经验。虽然管路人工敷设设计过程简单,但是随着机械设备多样性的增加,管路敷设设计呈现出随机性、模糊性以及动态性特点,管路人工敷设设计已经不能适应设计周期短、优化程度高、易于实施等要求。 随着计算机技术的飞速发展,数字化设计方法为机械设备管路敷设提供了有力的支持和新的手段,如计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、敏捷制造(AM)、柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)等。 依靠这些数字化虚拟技术,机械设备管路敷设设计进入到了数字化时代。通过在数字化技术中引入人工智能技术,机械设备管路敷设设计不仅可以避开人工敷设管路的复杂劳动,而且缩短了管路敷设周期,减少了开发成本,同时还能提高管路敷设质量。 目前管路敷设设计在如下方面存在缺陷:可实施性,优化性和复杂性。针对可实施性的不足,本文提出混沌栅格预处理模型。根据预处理模型的目的,给出预处理模型的性质。基于混沌过程理论构造混沌栅格预处理模型。针对工程应用的需要,分别提出规则体预处理模型,规则面预处理模型,非规则体预处理模型和非规则面预处理模型,并给出应用示例。 在管路敷设设计中,管路敷设设计的约束条件和优化评价标准是不容忽略的,尤其对于管路优化性要求。在优化评价标准中,本文基于管路在实际工程中的敷设要求,分别给出简单管路成本评价标准,复杂管路成本评价标准,简单管路运行评价标准和复杂管路运行评价标准。基于混沌栅格预处理模型和管路自动敷设问题的定义,提出管路敷设设计解空间的表达方法。针对管路敷设约束条件,本文给出基于预处理模型的约束实现。 然后,本文对粒子群算法(PSO)进行深入的研究。针对粒子群算法优化速度慢、早熟现象明显等问题,对粒子群算法进行改进,提出改进粒子群算法(modified particle swarm optimization,M-PSO)。通过引入人口迁移的思想,在保证算法收敛性的同时,使M-PSO算法具有良好的优化速度和优化效果。通过理论分析,证明算法具有良好的收敛性。并利用试验方法确定M-PSO算法中的参数设置。 基于M-PSO算法,针对复杂管路运行代价问题,本文提出基于流动阻力损失的管路自动敷设算法;针对分支管路敷设问题,本文提出基于流动阻力损失和成本评价的分支管路自动敷设算法。对于多管路协同敷设,本文提出协同管路自动敷设算法。在协同敷设算法中,通过改造M-PSO算法,引入四种协同算子,实现多管路协同敷设设计。 最后,本文在Unigraphics NX环境下,利用UG/Open API和VC 6.0开发管路敷设系统软件。


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