王虎奇 肖 璇 張 琦

（廣西工學院機械工程系，廣西 柳州 545006）

引言

基于網絡的裝載機全局協(xié)同優(yōu)化設計是對裝載機各部分結構、機構、控制、材料、工藝、人機工程等多角度的全局考慮，各個學科領域形成分規(guī)劃，通過耦合變量與主規(guī)劃進行聯(lián)系，最后采用全局協(xié)調優(yōu)化思想與方法，借助網絡進行協(xié)同優(yōu)化設計，在滿足設計條件或者設計資源的情況下，找到最優(yōu)解或者滿意解。目前，國內外多學科協(xié)同優(yōu)化方法主要存在下面幾種：一種是美國人Sobieski和Haftka提出的非層次型一致性優(yōu)化求解方法，后來又發(fā)展了并行子空間優(yōu)化策略和協(xié)同優(yōu)化的策略；另一種是廣西大學陳樹勛教授創(chuàng)立的全局協(xié)同優(yōu)化特征的協(xié)同優(yōu)化。兩種協(xié)同優(yōu)化的數(shù)學模型都是由一個總規(guī)劃和若干分規(guī)劃組成。

1.裝載機結構簡介

裝載機是工程機械的主要機種之一，廣泛用于建筑、礦山、水電、橋梁、鐵路、港口、碼頭等國民經濟各部門。它主要由發(fā)動機系統(tǒng)、變矩器系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)、變速操縱系統(tǒng)、驅動橋系統(tǒng)、工作液壓系統(tǒng)、工作裝置系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、腳制動系統(tǒng)、手制動系統(tǒng)、車架系統(tǒng)、駕駛室臺架系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。由此可見，裝載機是一個工程大系統(tǒng)結構，必須采用全局協(xié)同優(yōu)化方法對其進行優(yōu)化設計。

圖1 裝載機結構示意圖

2.數(shù)學模型

由于裝載機由眾多系統(tǒng)組成，在此僅以其工作裝置，前車架和后車架這三部分來建立通用的數(shù)學模型。裝載機的總重量將作為系統(tǒng)的主規(guī)劃，而工作裝置，前車架和后車架的重量將作為其三個分規(guī)劃。三部分的有限元模型如下：

圖2 工作裝置有限元模型

圖3 前車架有限元模型

圖4 后車架有限元模型

根據(jù)全局協(xié)同優(yōu)化的特征,若以裝載機的總重量為目標，則其整體結構為主規(guī)劃MP，工作裝置為第一分規(guī)劃SP，前車架為第二分規(guī)劃SP，后車架為第三分規(guī)劃SP。則可建立以下數(shù)學模型：

圖5 全局協(xié)同優(yōu)化的數(shù)學模型

在上述數(shù)學模型中，W為裝載機的總重量，W，W，W分別為工作裝置，前車架和后車架的重量。X，X，X分別為三個分結構的設計向量，而D和D，D，D又分別為主規(guī)劃和分規(guī)劃的結構性態(tài)設計水平。

以上數(shù)學模型中只選擇了三個子模塊，在實際的全局協(xié)同優(yōu)化設計中，我們還可以添加其他的子模塊，比如驅動橋系統(tǒng)，轉向系統(tǒng)，工作液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等，這些都可以成為模型中的分規(guī)劃。

3.軟件實現(xiàn)

數(shù)學模型的建立使得全局協(xié)同優(yōu)化的過程更加清晰，為了能更方便的進行計算，還需編制專門的軟件，在此將采用VB語言對數(shù)學模型中的相關步驟進行編程。

本模型的主規(guī)劃將采用導重法進行求解，因為設計變量較多，計算量較大，所以編制了專門的程序，只需輸入設計變量的值，即可很快得到迭代結果。而分規(guī)劃可采用任何的優(yōu)化方法方便地進行求解，因而不需要另外編寫程序。

導重法的迭代算式如下：

（其中 n=1，2，…，N）.

只需知道其設計變量，導重和容重，即可進行迭代計算。由此，VB程序框圖與界面可編制如圖6、圖7。

4.網絡協(xié)同優(yōu)化

目前，網絡協(xié)同設計已經成為解決全局協(xié)調設計的有效手段。它可以使各分系統(tǒng)的設計同步進行以縮短研發(fā)周期，又能使各分系統(tǒng)的設計協(xié)調進行以提高產品性能。因此，網絡協(xié)同設計已經成為一種先進設計的趨勢。

圖6 導重法的程序框圖

圖7 求解迭代結果的VB界面

在裝載機的協(xié)同優(yōu)化設計中，網絡將成為一個重要的媒介。在不同的地方，不同的設計者將在網絡平臺上通過數(shù)據(jù)庫之間的共享和傳遞，在系統(tǒng)總體調控下進行協(xié)同優(yōu)化設計，找到最優(yōu)解或者滿意解，使得裝載機整體性能最優(yōu)。而他們之間的數(shù)據(jù)傳遞也可以采用簡單且常見的方式進行，如郵件，MSN等通訊工具。

結論

工程大系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化理論與方法研究是目前優(yōu)化設計發(fā)展的前沿，本文結合此理論，建立了裝載機協(xié)同優(yōu)化設計的數(shù)學模型，并編制了相應的軟件。這將為其他工程機械系列產品的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)，具有一定的指導作用。

[1]許國志.系統(tǒng)科學與工程研究[M].上海:上?？萍冀逃霭嫔纾?000.

[2]鐘毅芳，陳柏鴻，王周宏.多學科綜合優(yōu)化設計原理與方法[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.

[3]陳樹勛.工程結構系統(tǒng)的分析、綜合與優(yōu)化設計[M].香港：中國科學文化出版社，2008.

[4]李志華，劉春偉，趙順丹，陳立.異地同步協(xié)同設計技術與實現(xiàn)[J].機電工程，2007,24(2).

[5]林曉煥，林琳.基于Internet的機械零部件異地異步協(xié)同設計研究 [J]，西安石油大學學報，2006,21(5).

[6] Shu -Xun Chen，An communication technology of Internet-based Collaboration optimization for distributed structural systems，Structural and Multidisciplinary optimization,2004,20(5).

[7]J.Sobieski，Optimization by Decomposition in Structuraland Multidisciplinary Application.NADO/DFG ASI"Optimization ofLarge Structural System",Berchesgaden,Sep.23,1991