基于遗传粒子群算法的集成块布局优化

　　0 引言

　　液压传动与控制技术在工业领域中的广泛应用促进了液压技术的飞速发展,也使得液压系统的设计与制造复杂性越来越高。液压系统的集成式结构因其结构紧凑、安装维护方便、振动小、泄漏少等优点而应用日益广泛。集成式液压系统的核心单元是液压集成块,它是安装各种液压元件,并且其内部按照液压系统原理图要求能够实现各元件间油道连通的复杂功能块。液压集成块作为各类板式阀、插装阀及其它附件的承装载体,其外部是各种不规则承装元件在各表面上的紧凑布局,其内部孔道构成是十分密集、复杂的孔系网络,设计起来非常费时费力又极易出错。因此,随着计算机辅助设计的推广应用,根据液压系统集成块的结构特点,研究实用的液压系统集成块CAD方法,已成为当前液压技术发展的需要[1-3]。

　　由于集成块结构的复杂,现有的辅助设计方法很难对其进行自动设计和优化。根据实际设计中集成块的设计特点,其计算机优化设计应当包含有两个部分:一个是布局优化,另一个是在确定集成块空间内的布孔优化。所以,集成块的空间布局优化是其实现计算机辅助优化设计的关键性一步。本文根据集成块的几何特点具体分析了集成块的空间结构,并建立了集成块空间布局优化设计的数学模型和集成块的参数化描述,用面向对象的方法定义了集成块空间布局优化设计问题有关的特征变量的实性表达式,并结合仿生算法中的遗传算法和粒子群算法,实现了集成块空间布局的优化设计,为集成块的计算机自动优化设计打了坚实的基础。

　　1 集成块的空间布局优化模型

　　集成块体外表面是阀类元件的安装基面,内部是孔道的布置空间,所以首先要确定统一的集成块立体空间坐标系。图1表示了集成块的绝对坐标系O-XYZ,6个面及各面上的相对坐标系xOy。6个面构成一个安装面的集合face={前、后、左、右、上、下}。通常底面和顶面不安装元件,作为与油箱或其它集成块的叠加面。在工程实际中,出于安装和操作方便的考虑,液压阀的安装角度通常采用直角,构成一个安装角度的集合θ={0, 90°, 180°, 270°}

　　液压阀的安装底板通常为长方形,其外形虽然不规则,但考虑到阀类元件的安装的操作空间,可以将其外形视为长方形,这在工程实际中是合理的、必需的,并能在计算中大大简化建模的复杂性。集成块的布局优化设计就是根据集成块上需要安装的阀的外形尺寸,采用合适的安装方位和安装角度来确定集成块的最小三维尺寸。根据以上的分析,可以归纳出液压集成块的几何特征以及进行布局优化设计问题所涉及的特征变量,通过这些特征变量可以来表示出整个集成块的实体特征。这些变量包括: