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1、毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书专业 交通运输 班级 18 交运 2 班 姓名 张 三 下发日期 2018-3-3 题目题目专题专题主主要要内内容容 主主要要技技术术参参数数或或要要求求 进进度度及及完完成成日日期期指导教师签字日 期教研室主任签字日 期教学院长签字日 期指 导 教 师 评 语请各位同学严格按照以下的注意事项排版请各位同学严格按照以下的注意事项排版：1、编辑时最好把工具工具菜单下的选项选项-视图窗口视图窗口-格式标记格式标记中的全部选中，以免误删除分节符等信息影响排版。2、正文中的英文及数字一律用 Times New Roman 字体，中文为宋体。3、正文字体为小四
2、，图题、表题及图表中的文字为五号字体。4、公式用 Word 自带的公式编辑器输入。5、附件1为外文资料翻译，页码随正文顺序往下排，附件2为外文资料，可以是pdf原文打印，不用再编页码和页眉，直接附上即可。6、前四页任务书及各评语不用编页码，且没有页眉。7、用Office2003及以上版本。 8、正文最多只能列到三级标题。 指导教师: 年 月 日指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日答 辩 委 员 会 评 语答辩组长: 年 月 日指导教师给定成绩(50%)评阅人给定成绩(20%)答辩成绩（30%）总 评答辩委员会主席签字评定成绩摘要摘要V 带传动是机械中广泛运用的一种传动方式，
3、基于该传动的传统设计方法由于计算方法和手段等条件的限制，难以找出最优设计方案。本文拟在对 V 带传动设计进行深入分析研究的基础上根据实际问题需要建立相应的数学模型，采用遗传优化方法进行求解，通过设计适当的算法和编制相应的软件实现该传动的优化设计。本文主要研究了以下内容：通过对优化问题的分析，以带轮体积和最小为优化目标，并以小带轮的基准直径和基准带长为设计变量，以小带轮直径，小带轮包角，中心距，带速及 V 带根数等限制为约束条件，建立了 V 带传动优化设计数学模型。在约束中小带轮直径约束、带速约束在求解过程中可以自动满足，而对于其余约束，采用静态罚函数法处理，将约束优化问题转换为无约束优化问题。
4、在遗传算法进行模型求解时，采用整数编码，并运用轮盘赌选择机制，算术交叉法和非均匀变异方法。由于本问题的优化目标是带轮体积和的最小值，用轮盘赌选择的个体为适应度最大者，为此将目标函数映射成适应度函数，并在转换时满足适应度单值、非负、连续、最大化的要求。针对整数编码，用 1 到 Numd 之间的整数与小带轮基准直径的标准值一一对应，由 1 到 Numld 之间的整数与基准带长的标准值一一对应，最终由一个长度为 2 的整数编码构成一条染色体。最后，通过 VB 编制了优化设计程序。关键词关键词：普通V 带传动；优化设计；遗传算法；整数编码；VBAbstractV-belt transmission i
5、s the extensive use of machinery in a drive way, the methods based on the transmission of traditional design, because of calculation methods and means of restricting conditions are difficult to find the optimal design. This paper on the basis of an in-depth analysis in the V-belt drive design in acc
6、ordance with practical problems needs building a corresponding mathematical model, adopting the genetic method to solve, designing appropriate algorithms and developing the corresponding software to achieve the optimal design of the transmission. What the paper majors in are as following:Through ana
7、lysis of the optimization build a mathematical model, viewing the smallest sizes of the two pulleys as the optimization goal, the standard diameter of the small pulley and the standard length of V-belt for the design variables, and the small pulleys diameter, the corners, the center distance, the sp
8、eed of the V-belt transmission and the number of V-belt for the constraints. The small pulleys diameter restraint and the speed restraint in these constraints can be automatically met, and for the remaining constraints static penalty function is adopted, then the optimization problem with constraint
9、s will be converted to a non-constrained optimization problem.In addition, the paper on the genetic algorithm using integral coding and adopting the roulette gambling selection mechanism, the arithmetic crossover method and non-uniform mutation method. Since the goal is to optimize the pulley and ge
10、t the minimum size, while through roulette gambling selection, the individual grown out of is of the greatest fitness, it needs mapping the objective function onto a fitness function. to connect with a standard value for length of V-belt one-to-one, and then by the end, constitute a chromosome of a
11、length of 2 by integral Coding.Finally, program for optimal design is made through VB.Key words: ordinary V-belt drive; optimal design; genetic algorithms; integral coding; VB目录目录摘要摘要.IAbstract .II目录目录.III第第 1 章章 绪论绪论 .11.1 课题研究的意义及现状.11.2 论文主要研究内容.2第第 2 章章 遗传算法基本原理遗传算法基本原理 .32.1 遗传算法简述.3第第 3 章章 V V
12、 带传动遗传算法优化设计带传动遗传算法优化设计 .53.1 优化设计数学模型的建立.53.2 遗传算法求解.73.3 优化算例.9结论结论 .10参考文献参考文献 .11致谢致谢 .12第第 1 章章 绪论绪论1.1 课题研究的意义及现状课题研究的意义及现状由于V带传动是利用具有挠性的传动带作为中间物，并通过摩擦力来传动，且V带传动能缓和载荷冲击，运动平稳无噪音，结构简单，成本低，制造和安装容易，能实现过载保护，所以在工业中应用很广泛。对带传动的设计方法最基本的是常规设计方法，根据文献1，该方法在计算过程中，要查找多个数表和线图，且有些变量的取值并不是唯一的，需要凭运气试凑性选择，这样对于同样
13、的原始数据，不同的设计人员就会有不同的设计结果;该设计方法在处理离散性参数时，按照连续型变量求得计算结果后再进行简单的收尾运算，不够妥当。文献2的带传动优化设计中，编码方式上采用实数编码策略，利用实数进行编码，直接用十进制串表示问题变量，所有操作均在实数域内进行，表示问题的解的数字串将会比用二进制表示的数字串短得多，相应的遗传操作算子的计算量也会减少，所需的计算时间也降低。由于在优化过程中不需对参数进行编码和译码，相应地就不存在解的精度问题。但该方法仍然存有传统设计方法的缺陷，在解决离散性问题时的精确度不够。文献3在确定设计变量时，选取小带轮的基准直径 d1、两带轮的中心距 a 和 V 带根数
14、 z 三个参数为设计变量。带轮体积与许多变量有关，而选择出来作为设计变量的变量之间必须具有相互独立性。当选择 d1 和 a 为设计变量后，由文献4中的计算公式，参数 z 可以由 d1 和 a 来确定，因此，当同时选择这三个参数作为设计变量时，由于它们之间不具有彼此独立性，这种设置是不恰当的。另外，文献3中使用二进制编码，还会存在编码、解码造成的解的误差。此外，文献5Matlab优化工具箱进行优化求解，比常规的优化方法更加简便快；文献6过分析传统设计中图表数据的特点，提出了普通V带传动设计中有关数据、表格和线图的程序化方法，所提出的方法简单易行，适用性广。1.2 论文主要研究内容论文主要研究内容
15、本论文主要对 V 带传动设计中所需要参数及其相关性的分析，选定设计变量；结合对它们的约束条件建立体积优化的数学模型。根据模型的特点，对遗传算法进行改进。全文的主要内容包括以下几个方面：第第 2 章章 遗传算法基本原理遗传算法基本原理2.1 遗传算法简述遗传算法简述遗传算法的术语来源于自然遗传学。1975 年由美国 J.Holland 教授提出的遗传算法（Genetic Algorithm，简称 GA）是基于自然选择原理、自然遗传机制和自适应搜索（寻优）的算法。J.Holland 教授的Adaptation in Natural and Artificial Systems一书的问世标志着遗传算
16、法的诞生8。GA 启迪于生物学的新达尔文主义（达尔文的进化论、魏茨曼的物种选择学说和孟德尔的基因学说） ，模仿物竟天演、优胜劣汰、适者生存的生物遗传和进化的规律性。1989 年美国伊利诺大学的 David E.Goldberg 博士出版的专著Genetic Algorithm in Search，Optimization and Machine Learning是遗传算法发展过程中的又一个里程碑，这本书全面地阐述了遗传算法的发展历程、现状、各种算法和应用实例，并附有 Pascal 源程序，从而使得广大工程技术人员得以进行实际的应用，在全世界掀起了关于遗传算法的研究和应用热潮9。*2.1.1 遗
17、传算法的基本要点遗传算法的基本要点一、编码遗传算法的特点之一是不对求解问题的决策变量直接进行操作，而是通过对个体编码进行交叉与变异的进化运算过程，不断搜索出适应度较高的新个体，必须把它们转换成遗传算法空间的由基因一定结构组成的染色体或个体，这一转换最终寻求出问题的最优解或近似最优解。遗传算法不能直接处理问题的空间参数，此操作称为编码。1、简单适应函数简单适应函数是目标函数的简单变形，若为目标函数，则适应函数可以取为： xf，优化目标为最大 (2-4) xfitness xf，且优化目标为最小 (2-5) xfxfitness M xfmaxM 2、适应函数的尺度变换（1）线性变换法若为目标函数
18、，则适应函数可以取为： xf (2-6) xfxfitness、系数的确定可参考文献11。（2）指数变换法若为目标函数，则适应函数可以取为： xf （2-7） fexfitness*选择过程总可以写成如下形式：1、对每个染色体，计算累积概率ipopiip， （2-8）sizepop1jiiiffpsizepop, 2 , 1i#。其一般形式可以由下式表示： ， （2-12） xPxFxFxF式中：为原适应函数值； xF为考虑了罚函数之后的新适应函数值； xF为罚函数。 xP满足约束条件时x不满足约束条件时x第第 3 章章 V V 带传动遗传算法优化设计带传动遗传算法优化设计3.1 优化设计数学
19、模型优化设计数学模型的建立的建立3.1.1 V 带传动设计题目要求带传动设计题目要求3.1.2 建立带传动的数学模型建立带传动的数学模型#系统的数学模型为： （3-1）BddVVVf2221214min 式中：、分别为大、小带轮的体积；2V1V、分别为小带轮、大带轮的基准直径；1d2d为带轮宽度，；BfezB21为 V 带的根数；z为槽间距，参见 GB/T 13575.1-9216中的规定，取 =15mm；ee为第一槽对称面至端面距离，参见 GB/T 13575.1-9216中的规定，取f=9mm。f需要考虑的约束条件有：1、小带轮直径 直径大传动功率也大，但可能会受到传动外廓尺寸要求的限制；
20、在带传动需要传递的功率给定的条件下，减小带轮的直径，会增大带传动的有效拉力，从而导致 V 带根数的增加。这样不仅增大了带轮的宽度，而且也增大了载荷在 V 带之间分配的不均匀性。另外，带轮直径的减少，增加了带的弯曲应力。为了避免弯曲应力过大，小带轮的基准直径就不能过小。因此，需满足 （3-2）maxminddd式中：、由带型确定，而带型是根据计算功率和小带轮转速查文献17mindmaxdcaP1n获得。下面确定计算功率：计算功率是根据传递的功率和带的工作条件而确定的caPP= （3-3）caPAKP式中：为计算功率，kW；P为工作情况系数；AK为所需要传递的额定功率，如电动机的额定功率或名义的负
21、载功率，kW。P本例由已知条件1.2，=7 kW，根据式（3-3）AKP= =1.2 7 kW=8.4 kWcaPAKP结合=1440 r/min，查相关文献17带型为 A 型；1n# （3-4） 0751dXg （3-5） 08002 dXg# （3-18） 0108 zXg而上式中的计算方法为17：z （3-19）LArcaKKPPPKPPz00式中：可从相关文献17查得，为基本额定功率，是与小带轮基准直径一一对应0P1d的参数； kW，由带型 A 型，传动比 =3.6，小带轮转速=1440 r/min，由文16. 00Pi1n献17查得，为当传动比不等于 1 时，单根 V 带额定功率的增
22、量；为当包角不等于时的修正系数；K180为带长不等于试验规定的特定带长时的修正系数，它是与基准长度一一对LKdL应的参数，由文献17查得。下面确定的值：K包角系数与小带轮上的包角有关，结合式（3-9） 、 （3-10） 、 （3-12）可求K1得；而、的关系式用最小二乘法拟合得到1K1 （3-20）23088. 000625. 000001. 02K这样，将各个参数求得后分别代入式（3-19）最终可以求得 V 带根数的值。z3.1.3 约束条件的处理约束条件的处理3.2 遗传算法求解遗传算法求解优化问题的求解过程是从众多的解中选出最优的解，生物进化的适者生存规律使得最具有生存能力的染色体以最大
23、的可能性生存，这样的共同点使得遗传算法可以在优化问题中应用。3.2.1 编码方法编码方法因为优化设计变量3.2.6 变异操作变异操作设变异操作时选择某染色体的第 1 位基因 d 进行变异，则新的基因值dnewpop_为： （3-31）dpopdpopdnewpop_Cint_Cint_式中：Random= Int(Rnd() + 0.5)，是一个产生随机数 0 或 1 的整型变量，因为函数产生的是不大于自变量的最大整数，当产生的随机数范围是时，R xIntx Rnd5 . 0 , 0nd() + 0.51，所以取得的不大于 1 的最大整数是 0，即 Random=0；当产 xInt Rnd生的
24、随机数范围是时，1Rnd() + 0.52，由函数得到的不超越此范围的最1 , 5 . 0 xIntRandom= 0Random= 1大整数为 1，即 Random=1；，=2.5，为一设定常数，其值随着 Numd 的增大而增加。tempRnd temp同理，当选择染色体第 2 位基因进行变异时，得到的新的基因值为dLdLnewpop_： （3-32）dddLpopLpopLnewpop_intC_Cint_式中：，=3，为设定的一常数，其值随着 Numld 的增大增加。tempRnd temp3.2.8 遗传算法操作流程图遗传算法操作流程图遗传算法的操作流程如图 3-1 所示。判断是否满足
25、优化收敛准则计算每个个体的适应度值复制交叉变异确定表示问题解的代码：染色体输出最优个体停产生初始种群YN图 3-1 遗传算法的操作流程Random= 0Random= 13.3 优化算例优化算例#，设计结果对比表如 3-1 所示。表 3-1 设计结果对比表设计方法V 带根数宽度/mm参数/mm目标函数值/mm3遗传算法优化设计6932800，90，3156107.84常规设计方法6931600，112，40061012.60#程序运行界面如图3-2所示：图 3-2 VB 程序运行界面结论结论本论文结合 V 带传动的基本要求和特点，采用遗传算法优化方法，对带轮体积的设计进行了研究，所做的工作主要
26、有以下几个方面：参考文献参考文献1 石坤,魏锋涛,任雷雷,等. 基于改进遗传算法的带传动优化设计J.设计与研究,2006,33(7):1820.4 张晓绩,戴冠中,徐乃平.一种新的优化搜索算法遗传算法J.控制理论与应用,1995,12（3）:265-271.8 Holland J H. Adaptation in natural and artificial systemsM, AnnArbor, Michigan: Addison-Wesley Publishing Company,1989.11 邢文训,谢金星.现代优化计算方法M.北京:清华大学出版社,1999.17 濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,2006,139-161.20 李克安,唐应时.V 带传动轮系的优化设计J.机械强度,2005,27(5):628630.致谢致谢本论文是在#在此表示真诚的谢意！
