液压集成系统智能化虚拟设计中的核心算法研究

　　1 问题的提出

　　液压系统大多采用液压阀集成配置。液压集成块是集成式液压系统的核心单元，它是一个或多个预先钻有多个孔道以实现元件之间油路连通的复杂功能块体。其上安装各种液压元件，如液压阀、管接头、压力表等，其内部的孔道与元件孔道相连通，并按照液压系统原理图构成液压集成回路，实现系统控制要求。

　　液压集成块设计首先是在集成块各面上尽可能紧凑、均匀地布局、安装各种液压元件，既要方便安装、调试，又要符合美学要求。元件布局方案与连通要求一起成为孔道设计的起始条件。因液压系统组成的非标准性和所承装阀体及其相互连通关系的多样性所致，集成块内部通油孔道常常构成十分密集、复杂的孔系网络，孔数通常达数十乃至上百个，纵横交错，设计起来颇为费时费力。不仅传统的人工布局、孔道设计及校核异常困难，即使采用一般的 CAD 方法亦难以在发生干涉和需设置若干工艺孔时确保设计质量。而且一旦发生干涉，孔的移位不能针对单个孔进行，而必须将处于同一阀上的孔组做整体移动，“牵一发而动全身”，故常出现顾此失彼的情况。同时，设计时还必须满足非连通孔道间安全壁厚和连通孔道相交处通流截面(形状和大小)等设计品质的要求。在另一方面，无论是人工设计还是采用一般的CAD 方法(多在二维或简易三维条件下)，都使设计人员处在封闭或半封闭的设计环境下，无法清晰地观察到设计过程。此外，面对孔道干涉，以往的 CAD 手段还不能自动确定移位方向和尺度，进行自动寻优设计，而是由人工凭直觉或经验确定调改方案，其本质上是一种“试凑”的方法。

　　以上情况均表明，对于液压集成块这类特殊而典型的零部件，已有的 CAD 方法尚不能十分有效地处理和解决其设计过程中的一些关键性的技术难点问题。因此，作者认为，在液压集成系统 CAD 技术开发中，必须引入虚拟现实技术和现代智能优化算法，以集成块布局布孔集成方案的智能优化设计算法为核心，以具有沉浸感的虚拟现实环境为人机交互界面，使集成块优化设计能在开放的虚拟环境下自动实施。这就是作者提出的液压集成系统智能化虚拟设计新方法[1~4]。

　　2 智能型液压集成系统虚拟设计方法的研究内容

　　布局问题具有广泛的应用背景，对该问题的研究至今已有百余年的历史。布局问题在理论上已经被证明是 NP-C 问题，目前可实用的布局优化算法仍属启发式或人机交互式算法[5]。液压集成块设计的核心问题是其外部布局和内部布孔集成方案的组合优化问题，可以归结为带性能约束的三维立体空间布局问题。