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基于遗传算法的受电弓及弓头弹簧系统优化设计研究

作　者: 赵世宜
导　师: 刘子建
学　校: 湖南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 受电弓多目标优化遗传算法虚拟样机有限元法
分类号: U264.34
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文以上海某地铁单臂受电弓及其弓网系统为研究对象,运用基于遗传算法的多目标优化设计、虚拟样机技术和有限元技术的仿真分析方法,对受电弓模型进行优化设计和仿真分析,得到了该受电弓的最优几何参数,以及弓头弹簧参数设计分析的结果,并在实际产品开发中得到了应用。首先建立了受电弓结构的优化模型,研究了遗传算法、多目标优化设计方法,运用全局优化方法遗传算法对受电弓的几何参数进行了优化设计,得到了最优的几何参数,满足了该受电弓对弓头升弓轨迹、升弓转矩和弓头平衡杆摆动角度等关键技术指标的要求。然后利用得到的最优几何参数,在UG中建立受电弓的三维CAD模型,并将该模型导入多体动力学仿真软件ADAMS中,定义各组成构件的质量及其相互间的约束与运动关系等属性以及所受外界激励,建立受电弓系统的虚拟样机模型,利用虚拟样机技术,设置不同的工况条件,对由遗传算法优化得到的受电弓模型进行机械系统动态仿真分析,验证了优化设计结果,完成了基于遗传算法的智能优化设计方法和虚拟样机仿真分析相结合的受电弓设计全过程。在有限元软件MARC环境下,建立了接触网-受电弓的有限元模型,对弓头弹簧系统参数和受电弓/接触网之间动态接触的影响进行了有限元分析,得到了弓头弹簧系统参数与受电弓运行速度以及受电弓受流质量之间关系的相关结论,对受电弓的弓头弹簧设计有重要的指导意义。最后本文对如何设计受电弓/接触网试验装置进行了探讨性的研究,为试验验证受电弓提供了较好的方法。

全文目录

目录  5-8
摘要  8-9
Abstract  9-10
第1章绪论  10-18
  1．1 课题来源及其研究重点  10
  1．2 遗传算法简介  10-11
  1．3 受电弓概述  11-15
    1．3．1 受电弓的定义和基本要求  11-12
    1．3．2 受电弓的基本结构及其作用  12-15
  1．4 受电弓的研究现状  15-17
  1．5 本文的主要工作  17-18
第2章遗传算法研究  18-30
  2．1 生物进化与遗传算法  18
  2．2 标准遗传算法  18-20
    2．2．1 基本原理  18-19
    2．2．2 遗传算法的基本术语  19-20
  2．3 遗传算法的基本流程  20-21
  2．4 遗传算法方法  21-23
    2．4．1 编码/解码  21-22
    2．4．2 二进制与十进制编码之间的转换  22-23
  2．5 遗传算法的初始化  23
  2．6 遗传算法的适应度函数  23-24
  2．7 遗传算法的操作  24-27
  2．8 遗传算法终止条件  27-28
  2．9 遗传算法的数学基础  28-29
    2．9．1 模式定理  28-29
    2．9．2 积木块假设  29
  2．10 本章小结  29-30
第3章多目标优化的遗传算法  30-38
  3．1 多目标优化的基本概念  30-31
    3．1．1 Pareto最优解  30-31
    3．1．2 偏好(Preference)  31
  3．2 基本求解方法  31-33
  3．3 多目标优化问题的结构和特性  33
  3．4 传统的多目标优化方法  33-34
    3．4．1 加权法  33
    3．4．2 约束法  33-34
  3．5 遗传多目标优化  34-35
    3．5．1 遗传算法寻优搜索的特征  34
    3．5．2 适应值分配机制  34-35
  3．6 PARETO解的概念  35-36
  3．7 向量评价遗传算法  36-37
  3．8 遗传算法中的约束处理  37
  3．9 本章小结  37-38
第4章上海明珠二线地铁受电弓结构参数的优化设计  38-57
  4．1 受电弓的工作  38
    4．1．1 受电弓的静压力特性曲线  38
    4．1．2 受电弓滑板和接触导线间的接触压力  38
  4．2 良好受电对受电弓的性能要求  38-39
  4．3 单臂受电弓的主要设计参数  39-40
    4．3．1 弓头运动轨迹  39
    4．3．2 升弓时所需转矩(即升弓转矩)  39
    4．3．3 归算质量  39-40
    4．3．4 接触压力  40
  4．4 上海明珠二线地铁受电弓结构参数的优化设计  40-42
  4．5 受电弓弓头运动轨迹与升弓转矩优化模型的建立  42-44
    4．5．1 对受电弓正常工作的运动要求  42
    4．5．2 受电弓优化模型的建立  42-44
  4．6 受电弓几何参数的遗传算法优化  44-50
    4．6．1 优化方法的选择及遗传算法  44
    4．6．2 编码、选择、交叉、变异  44-50
  4．7 遗传算法优化结果分析  50-52
    4．7．1 弓头运动轨迹与升弓转矩优化结果分析  50-51
    4．7．2 平衡杆优化结果分析  51-52
  4．8 虚拟样机验证  52-56
    4．8．1 单臂受电弓的虚拟样机模型的建立  52-53
    4．8．2 仿真结果分析  53-56
  4．9 本章小结  56-57
第5章弓网关系及弓头弹簧系统研究  57-67
  5．1 弓头弹簧系统对受流稳定性的影响  57-59
  5．2 弓网计算模型  59-61
  5．3 弓头弹簧参数研究及优化  61-66
    5．3．1 计算工具简介  61
    5．3．2 弓头弹簧参数研究及优化  61-66
  5．4 本章小结  66-67
第6章受电弓/接触网试验装置  67-70
  6．1 受电弓试验  67-69
  6．2 试验内容  69
  6．3 本章小结  69-70
总结与展望  70-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)  77

基于遗传算法的受电弓及弓头弹簧系统优化设计研究

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