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1、振动式离心机动态性能优化设计关键技术与方法研究,Research on Dynamic Optimization Design of Vibrating Centrifuge Equipment,主要内容,绪论,1,离心机振动系统非线性动力学建模,2,橡胶弹簧及整机动态性能测试,3,复模态及有限元结构阻尼优化技术,4,基于遗传信赖域算法的结构动态优化,5,总结与展望,6,一、绪论,1.课题的研究背景及意义,2.国内外研究现状：3.存在的问题：分选效率低，理论模型不准确；主轴承、筛篮等易损，维修频繁；仿真计算精度低，与实际测试差距较大；振动参数不稳定、调整频繁而且困难、噪音大。,一、绪论,工作环
2、境,性能,成本,减震降噪,动力学,节能减排,优化设计,动态测试,离心机,加工效率,伺服控制,一、绪论,4.研究目的,5.技术路线,一、绪论,第二章,第三、四章,第三、五章,第六、七章,部分离心机主要技术参数,二、振动系统动力学建模,1.工作原理,1.驱动电机 2.主动轮 3.外质体 4.大带轮 5.内质体 6.橡胶弹簧 7.振动电机 8.筛篮 9.入料管 10.外壳 11.出料口 12.隔振弹簧 13.出水口 14.主轴,2.非线性动力学建模,二、振动系统动力学建模,1）橡胶弹簧的动刚度为单位力下弹 簧位移的一次项及三次小量的和；2）橡胶弹簧的阻尼为一个振动周期 内阻尼耗散量的平均值。,假设,
3、3.平均法求解 对于一个弱非线性振动系统，略去非线性项将得到相应的线性系统。平均法的基本思想是将此线性系统的振幅和相位角看作是随时间缓慢变化的，并将振幅和相位角对时间的导数展成傅氏级数，取一个周期内的平均值，进而求出方程的解。,二、振动系统动力学建模,设，将上式典则化,采用变换典则方程的派生方程为设其解为 代入上式解出,二、振动系统动力学建模,其中,派生方程基础解系派生方程共轭方程的基础解系,二、振动系统动力学建模,通过基础解析的正交关系得主共振情况的定常解引入KB变换,二、振动系统动力学建模,将上两式代入并令 的一次项相等有现通过如下积分确定现求 其中,二、振动系统动力学建模,同理可以求出求
4、解下面的微分方程组即可得到一次近似解,二、振动系统动力学建模,3.应用案例,kg,kg,kN/mm，,kNs/mm，,同时利用四级四阶龙格库塔公式求解，数值解与平均法一次近似解的幅频响应曲线对比如右图所示。,共性,特点,误差,近似解与数值解分别从定性与定量的角度吻合均较好；极值基本重合，共振区附近近似程度高；,工作频率选在22-25.5Hz共振曲线幅值较大，连续平稳无拐点；频率的储备能量也足够大。,理论近似计算值均比数值解小参数测试误差未考虑高次谐波,二、振动系统动力学建模,1.橡胶特性 橡胶材料具有显著的高弹性和非线性，在外力作用下，很容易发生极大的变形，但除去外力后又回复到原来的状态。,三
5、、橡胶弹簧及整机动态性能测试,2.剪切刚度测试,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,测试结果,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,4mm/min时载荷位移曲线 8mm/min时载荷位移曲线 12mm/min时载荷位移曲线 试件剪切刚度与加载速率的关系,利用试验数据对其进行最小二乘拟合后可得k1=0.1，b=1.2e-5。,在串联布置中，构件整体刚度与每个试件刚度的关系可写成：,在并联布置中，构件整体刚度与每个试件刚度的关系可写成：,k=0.2，a=2.5e-5,3.温度对剪切刚度的影响,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,橡胶弹簧的平均刚度呈现先减小，后增大的趋势，即在30时达到最小值0.46kN/mm，
6、但整体而言相差不大，说明在这个温度范围内工作，弹簧的刚度不会发生太大变化。,4.动刚度测试,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,测试结果,橡胶弹簧的阻尼,橡胶弹簧的阻尼,不同频率下的试件迟滞曲线,平均动刚度,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,5.橡胶弹簧的本构方程优选超弹性曲线拟合是指通过输入实验数据计算超弹性材料力学模型常数，并把这个结果和有限元的超弹性模型进行比较。,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,二参数Mooney-Rivlin模型 三参数Mooney-Rivlin模型 五参数Mooney-Rivlin模型 一阶Ogden模型,二阶Ogden模型 一阶Polynomial模型 二阶Polyno
7、mial模型 一阶Yeoh模型拟合曲线,橡胶弹簧选择三参数、五参数的Mooney-Rivlin模型以及二阶Polynomial模型是比较合适的，针对本文所研究的橡胶弹簧，本文选择五参数的Mooney-Rivlin模型。,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,6.有限元验证,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,网格与边界条件图 位移云图 应力云图,测试与仿真结果对比,7.共振离心机模态测试,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,三、橡胶弹簧及整机动态性能测试,第一阶固有频率在25Hz左右振型为沿着主轴轴向振动,第二阶固有频率33Hz振型为z向一阶弯曲支撑体与基座连接处的支撑刚度不足导致,三、橡胶弹簧及整机动态性
8、能测试,1阶模态,2阶模态,支撑体3阶,筛篮3阶,支撑体第三阶固有频率为42.43Hz振型为支撑体沿y向一阶倾倒支撑体较高而y向支撑刚度较差导致的，,筛篮主轴系统的第三阶固有频率为65.83Hz振型为筛篮边缘二阶弯曲筛篮的局部模态。,1.复模态与实模态对比,四、复模态及有限元结构阻尼优化技术,实模态,复模态,特点,各点相位信息不一致，振动会导致模态实部与虚部之间产生信息转移，使得模态节点位置会随之产生移动。不能通过模态振型向量将整个动力微分方程完全解耦，线性叠加原理不再适用。,主要针对钢结构，建筑物等 计算方法成熟，试验测试较易 仿真计算准确度高,方程可以用模态坐标解耦,主阵型正交，线性叠加适
9、用,各节点同时达到最大或最小,非比例阻尼,比例阻尼或无阻尼,广泛存在，测试较困难 仿真计算误差较大,比例阻尼情况下的物理坐标与实模态坐标关系,非比例阻尼情况下的物理坐标与复模态坐标关系,四、复模态及有限元结构阻尼优化技术,2.复模态有限元结构阻尼修正基本思想,通过酉正交变换，将复特征方程化为同阶的实方程，避免将复模态数据按实部与虚部分开而使求解规模扩大的问题，而后通过求解一个约束最优化问题，得到了满足特征方程的加权Frobenius范数意义下的最优修正阻尼矩阵。即，首先认为实测的模态振型，模态质量及模态刚度是准确的，再利用复模态分析中的酉正交关系，对测量的阻尼阻尼矩阵进行修正。,（1）根据具体
10、分析对象建立系统动力学方程（2）输入相应的质量矩阵，刚度矩阵，阻尼矩阵，测量特征值，实测模态矩阵；（3）计算酉变换矩阵；（4）计算实矩阵；（5）选择合适的加权矩阵W；（6）奇异值分解式；（7）若条件满足，继续；否则，停止；（8）计算；（9）计算C。,3.算法描述,四、复模态及有限元结构阻尼优化技术,4.有限元仿真,采用即8节点的低阶六面体单元、l0节点的高阶四面体单元和13节点的高阶金字塔单元划分。其中六面体单元用于划分形状规则的部分，四面体单元用于不规则的部分，而金字塔单元用于二者之间的过渡。单元划分图如下图所示，共118029个节点，63672个单元。,求解器选择 Unsymmetric求
11、解器,四、复模态及有限元结构阻尼优化技术,迟滞阻尼输入 ANSYS分析软件中支持材料阻尼的输入，一般是通过损耗因子来表示。我们把阻尼所消耗的能量与系统振动能量之比定义为损耗因子：,其中激振功率Pin=F0V，即激振力与激振点速度的乘积；振动能量则由结构速度响应平方的空间平均值得到，,，表示时间空间平均。,MP，DAMP：输入对应于某种材料的材料阻尼。,6.计算结果分析,四、复模态及有限元结构阻尼优化技术,仿真计算与模态试验固有频率相对误差,第1-5阶固有频率阵型图,7.结论,四、复模态及有限元结构阻尼优化技术,1.模态控制方法,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,降低共振幅值的阻尼技术,切断
12、振动传递的隔振技术,修改结构的优化技术,4,1,2,3,共振式离心机由于采用二次激振，目的是以小的激振力获得较大的振动幅值，因此在保证其安全、可靠运行的情况下，应尽量提高筛篮主轴系统的轴向振动位移，降低其它零部件的振动，减轻各部件质量，达到高效、节能、低设计生产成本的目的。,2.信赖域方法 信赖域方法是一种能够保证算法总体收敛性的最优化方法也是现阶段研究的热点，它不仅可以用来代替一维搜索，而且也可以解决Hesse矩阵(或其近似)不正定和 为鞍点等困难。,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,设目标函数的下降量,设模型函数的下降量,定义比值,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,它衡量型函数,与
13、目标函数,实质上是用一个二次模型搜索代替原来的目标函数，因此可以解决原函数的二次求导不稳定甚至出现奇异等问题，且信赖域方法根据模型函数与目标函数的一致程度，确定搜索范围，用简单的二次模型函数的函数值直接代替原函数复杂的计算过程，因此能够大大减少计算时间和计算机的存储量,3.遗传算法特点,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,4.遗传信赖域混合优化算法step1.给出初始点，信赖域半径的上界step2.如果 停止；step3a.随即生成M个初始个体组成初始群体 并求出各个个体的适应度；step3b.依 对 进行降序排列，记忆前N个个体；step3c.对 进行轮盘赌选择得，对 进行单点交叉得，对
14、作均 匀变异得。step3d.合并 与，对这 M+N个个体，计算 在 时，对适应度较大的施以惩罚step3e.依这M+N个个体新的适应度排序，记忆前M 和前 N个个体。step3f.若停止条件不满足，则t:=t+1 将step3e中的前M个个体作为初始条件，转 step3c；否则输出，记。,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,在,step4.计算 和。令step5.校正信赖域半径。令step6.产生，校正，令,转step2。其中，step3a-step3f为遗传算法求解最小二乘信赖域子问题的迭代过程。,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,5.测试本文选用香蕉函数 为测试函数，因其在最优解附
15、近函数图象非常光滑平台，常见的利用函数导数作为搜索方向的各种牛顿法都极易收敛到局部最小点，所以可以佐证遗传信赖域算法的全局收敛性及优越性。本算例中遗传参数的选取如下精度控制为；初始种群个数M=20；交叉概率P1=0.9；变异概率P2=0.08；迭代次数N=100；测试结果如下：,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,香蕉函数云图 遗传算法迭代图,6.动态优化的基本思想与步骤 机械动态优化设计就是在考虑动态载荷(系统的输入，包括动力输入及其它干扰输入)作用下，针对其现有的结构形式，进行动力优化修改，主要是确定机械的结构形态、构件尺寸参数、阻尼特性、弹性系数等，使得机械产品的动态性能能够满足使用上
16、的需要。,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,7.动态优化设计三要素,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,优化设计,参数优化,结构优化,局部拓扑,整体拓扑,8.优化计算,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,先通过对目标函数增加罚函数的方法将约束最优化问题变为无约束最优化问题，再将目标函数中各项进行平方求和，转化为最小二乘问题。其中,利用上文提出的遗传信赖域混合算法对此非线性最小二乘优化问题进行求解，经过14次迭代运算，迭代收敛情况见下图，优化后的结果见下表,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,迭代计算收敛情况,六、总结与展望,综述了共振式离心机国内外的发展现状及存在的各种问题，详细介绍
17、了双质体共振离心机的工作原理与结构特点，从而提出了本文的研究目的及意义。提出了振动体两自由度非线性动力学模型，并基于平均法进行近似解推导，得出其一次近似解，幅频响应曲线，以及确保离心机高效稳定工作的各种结论。对WZY 1400型离心机上的橡胶弹簧板进行了拉伸静刚度与剪切方向动静刚度实验测试，基于测试结果通过比较各种橡胶的本构模型得出了适合该种材料的五参数Mooney-Rivlin本构关系采用单点敲击多点加速度传感器拾振的方法对WZY 1400型双质体共振离心机进行模态测试并就其在不同工况下的工作特点进行动响应测试。给出了一种修正结构有限元模型阻尼矩阵的代数方法，本方法表达式简洁，由该表达式可以
18、得到Frobenius范数意义下的最优修正矩阵，修正过程简单且易实现。在Ansys中采用Unsymmetric求解器对整机有限元模型进行求解，结果显示考虑非线性迟滞阻尼的仿真解与比例阻尼情况下的解相比更接近测试值。提出了遗传信赖域混合优化算法，给出了该算法的严格数学证明以及具体的算法流程，通过具体的算例证明了算法本身的有效性。基于动力结构修改方法对WZY 1400型共振式离心机进行动态优化设计，借助于本文提出的遗传信赖域混合优化算法求解该最小二乘最优化数学模型，优化结果显示本文提出的共振式离心机动态优化设计方法行之有效。提出了一套结合目前生产现状的，能够满足共振式离心机动力学建模、仿真、测试及
19、优化的方法体系。,展望,五、基于遗传信赖域算法的结构动态优化,双质体共振离心机的动态优化设计方法研究涉及到不同学科中的多种专业知识，是一个综合性较强的方法体系。受当时间与试验条件的限制，还存在一些不完善及需进一步研究的工作，在接下来的学习过程中应该继续补充改进，主要体现在以下几个方面：,博士期间科研情况,发表论文1胡淼，王太勇。基于弹光调制的近红外光谱吸收法在室内VOC检测中的研究。光谱学与光谱分析(SCI：859TT，EI:20115014598193)2Miao Hu,Tai Yong Wang,Shuai Yang,Zhi Feng Qiao,Dian Peng Li,Research
20、on mechanical structure optimization oriented to dynamic characteristics,Applied Mechanics and Materials,2010,33:533538.(EI:20110113554492)3Hu Miao,Wang Taiyong,Geng Bo,Wang Qichen,Based on GA Mixed with Trust Region Method Solving Nonlinear Least Square Problems,Applied Mechanics and Materials,2012
21、,141(1):9297.(EI:20114914580049)4Wang T.Y.,Hu M.;Yue J.H.,Jiang Y.X.,Liu L.,Qiao Z.F.,Optimization Design of Vibrating Centrifuge Equipment Based on Test FEM Simulation and Sensitivity Analysis,Advances in Maintenance and Condition Diagnosis Technologies Towards Sustainable Society,COMADEM2010,Japan
22、:Nara,2010,425431.(EI:20103613221112)5胡淼，王朝阳，耿博，基于动态测试有限单元法及灵敏度分析的螺旋锥齿轮铣齿机优化设计，CAD/CAM与制造业信息化，2011，10：63656Han Zhiguo,Hu Miao,Module partition and evaluation method of NC spiral bevel gear machine tools,Applied Mechanics and Materials,2012,141(1):370375.(EI:20114914580100)7王朝阳，胡淼，汤永红，轮履复合式移动机器人设计及越障
23、功能分析，机械传动，2010，38（4）：38418Geng Bo,Wang Taiyong,Hu Miao,Wang Qichen,Lin Jinzhou,Li Dianpeng,Analysis of natural frequency of simply supported beam with vertical elastic constraint,Applied Mechanics and Materials,2012,141(1):212217(EI:20114914580071)9Zhifeng Qiao,Taiyong Wang,Yunfeng Wang,Miao Hu,Qing
24、jian Liu,Bzier polygons for the linearization of dual NURBS curve in five-axis sculptured surface machining,International Journal of Machine Tools&Manufacture,2012,53(1):107117.(SCI:000300547700011,EI:20115114611719)10Taiyong Wang,Qiao Zhifeng,Liu Qingjian,Hu Miao,Open CNC System Based on Embedded M
25、onitoring Unit,Advanced Materials Research,2010,136:284288.(EI:20110113545638)11刘路，王太勇，蒋永翔，胡淼，宁倩，基于超球面支持向量机的刀具磨损状态识别，农业机械学报，2011，42（1）：218222.(EI:20111213783729)12Qing Li,Dianpeng Li,Taiyong Wang,Miao Hu,Xinhua Xiao,Bo Geng,Modular code combination and database management of NC spiral bevel gear mac
26、hine tools,Advanced Materials Research,2011,201:13561362.(EI:2011121766993)13JiangDayong,Wang Taiyong,Jiang Yongxiang,Liu Lu,Hu Miao,Reliability assessment of machine tool spindle bearing based on vibration feature，IEEE Computer Society，2010,2:154157.(EI:20110813695098),参加的科研项目1基于动态监控建模和物理仿真的制造系统智能控
27、制理论与模式，国家自然科学基金资助项目，项目编号：504751172基于网络和状态监测的层次化嵌入式开放结构数控系统TDNC-M4及TDNC-L4，天津市重点新产品计划项目，项目编号：05YFJZJC018003复杂空间型面制造质量在机检测系统及信息集成技术研究，国家高技术研究发展计划（863计划），项目编号：2006AA04Z146，4基于自主数控系统的机床整机监测诊断试验平台，国家科技重大专项，项目编号：2009ZX04014-101-055汽车零部件加工成套自动化生产线，国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目，项目编号：2007AA0420056禹州市钧瓷研究所资助项目，项目编号：G208591。7唐钢热连轧生产线有限元分析，横向课题8天津市新赤峰桥锚具有限元分析与实验测试，横向课题9唐山煤炭研究院卧式振动离心机动态性能测试与仿真分析，横向课题10天津津伦精密机械测漏机可适应性设计平台开发，横向课题11天津精诚机械弧齿锥齿轮数控机床动态性能测试与仿真，横向课题12天津国际机械集团PDM项目，横向课题13连云港泛亚莫斯压力容器仿真计算项目，横向课题,博士期间科研情况,请各位专家老师批评指正!,
