面向复杂机电产品的管路布局优化方法研究

【摘要】：发动机、核主泵等复杂机电产品结构复杂、零部件种类繁多,有大量管路负责运输燃料、液压油以及润滑液等液体或气体,实现产品运行、控制及操纵等功能。这些管路层叠交错、形状复杂,有直管、弯管,分支管等多种类型。管路的合理布局及优化是保证复杂机电产品高效稳定运行的前提,并且对复杂机电产品的研制速度和生产周期有决定性作用。管路布局设计不仅需要考虑管路的安放位置等物理问题,还需要综合考虑管路的制造性和流动损失等专业问题,使保证管路布局设计效率和设计质量成为工程难题。复杂机电产品向小型化、精密化和绿色化方向的发展,进一步增加了管路布局设计的难度。管路布局优化方法的研究虽然不断涌现,但是在优化方法的效率和效果等方面仍需深入研究。本文针对复杂机电产品管路布局设计效率和质量问题,系统研究复杂机电产品中管路布局工程规则、各种类型管路布局设计的优化方法。本论文的主要工作总结如下:(1)系统归纳复杂机电产品管路布局过程中涉及的工程规则。根据工程规则类型,确定各类工程规则实现方式。根据管路需要评价布局结果,创建管路布局多层优化评价指标。(2)提出基于分类蚁群算法的多管路布局优化方法。研究布局空间和管路特征,提出基于二次栅格划分的布局空间建模。结合蚁群搜索方式和管路布局要求,创建蚁群多步长搜索和多节点选择机制,将蚁群分类以平衡搜索精度和搜索效率,设置基于等级的动态信息素正负反馈更新机制和多方向启发信息,实现算法高效运行。通过协同因子和协同目标函数,合理构建多种群并行进化机制,实现满足多种工程规则的多管协同优化。(3)提出面向自由弯管的管路布局优化方法。结合布局空间特征和自由弯管管路调整要求,对布局空间进行自适应八叉树建模。改进蚁群算法搜索方式,分层搜索八叉树领域节点,得到三次B样条曲线控制点,构建自由弯管轴线。通过曲线曲率变化,分析控制点中坏点,逐段调整三次B样条曲线,光顺自由弯管轴线,优化自由弯管性能。并设置分层启发信息和二次碰撞检测,提高算法效率。(4)提出一种面向分支管的管路布局优化方法。基于图论知识,研究空间联系图,运用数值对比分析,提出最短路径节点规则,确定新型三维联系图模型创建方法。设置三维联系图节点类型,赋予其势能值满足相关工程规则。考虑分支端点布局要求和蚁群搜索特征,设置蚁群分组规则和并行搜索机制,迭代构建有障碍物的最小Steiner树,得到最优分支点和最优分支管路。(5)开发复杂机电产品的管路布局模块。该模块是以UG/NX软件为平台,以UG/Open为开发工具,以C++和Matlab为开发语言,在UG平台运行的三维管路布局优化设计系统。