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基于灰狼优化算法的变截面点阵结构设计及性能优化

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力学学报 2024年第6期56卷 1702-1712页

作者：张树佰丁喆黄垲轩张严武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081

点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领... 详细信息

点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领域极致轻量化设计的迫切需求.而目前关于变截面点阵结构设计的研究大都基于实验的“试错式”经验调配模式,其相应的理论设计方法尚不完善.文章基于灰狼智能优化算法,提出了一种高效的变截面点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数构建变截面点阵的显式几何描述模型,以实现变截面点阵几何形状的自由描述;其次,采用能量均匀化方法预测变截面点阵单胞的宏观等效力学属性,建立宏观点阵结构与变截面单胞构型间的内在联系;然后,以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最小化柔度为目标函数,构建变截面点阵优化数学模型,并采用灰狼优化算法实现上述模型的高效求解,得到性能优化的变截面点阵结构;最后,通过二维和三维数值算例和仿真分析共同验证了所提方法的正确性和有效性,并与相同条件下等截面点阵结构的承载能力进行了比较.结果表明:优化后变截面点阵结构的柔度相较于相同条件下的等截面点阵结构可降低30%以上,具有更优异的承载能力.研究结果丰富了变截面点阵结构设计理论,在高端装备极致轻量化设计领域具有重要应用前景.

关键词：点阵结构变截面显式拓扑描述灰狼优化算法柔度

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双叶片液压关节主被动联合柔顺控制分析

吉林大学学报（工学版） 2024年第1期54卷 86-98页

作者：赵慧朱发强蒋林王诗虎武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机器人与智能系统研究院武汉430081

双叶片液压被动柔顺回转关节在受到外界环境的碰撞时,关节的被动柔顺性会使关节阀体输出转角产生回调,碰撞结束后,输出转角又会迅速恢复。为了有效吸收剩余的冲击能量,本文将自适应阻抗控制作为回转关节的主动柔顺控制,与关节的被动柔... 详细信息

双叶片液压被动柔顺回转关节在受到外界环境的碰撞时,关节的被动柔顺性会使关节阀体输出转角产生回调,碰撞结束后,输出转角又会迅速恢复。为了有效吸收剩余的冲击能量,本文将自适应阻抗控制作为回转关节的主动柔顺控制,与关节的被动柔顺控制相结合,实现对关节的主被动联合柔顺控制,增大了回转关节在受到碰撞时的回调角度,能够更好地化解环境碰撞力。同时在关节的控制系统中设计并添加了一个模糊自适应PID(比例-积分-微分)控制器,作为自适应阻抗控制中的位置控制器,能够减小回转关节输出转角恢复后的稳态误差,提高了关节与外界接触时的安全性。

关键词：机械电子工程液压关节模糊PID控制自适应阻抗控制主被动联合柔顺控制

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基于生成对抗网络的跨分辨率拓扑优化方法的比较研究

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振动与冲击 2024年第6期43卷 132-140页

作者：朱赫鹏丁喆张严李小白武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院武汉430081

拓扑优化的迭代过程涉及大量有限元分析与灵敏度更新步骤,且随着划分网格数目的增加,其优化过程将耗费大量的计算成本。利用深度学习方法,通过建立低分辨率中间构型与高分辨率拓扑结构之间的映射关系,可实现结构的跨分辨率拓扑优化设计... 详细信息

拓扑优化的迭代过程涉及大量有限元分析与灵敏度更新步骤,且随着划分网格数目的增加,其优化过程将耗费大量的计算成本。利用深度学习方法,通过建立低分辨率中间构型与高分辨率拓扑结构之间的映射关系,可实现结构的跨分辨率拓扑优化设计,从而大幅提高其计算效率。该文基于两种不同的生成对抗网络,构建了可实现跨分辨率预测的拓扑优化方法,并将其扩展至三维结构的优化预测。首先,以柔顺度最小化为目标函数,利用各向同性材料惩罚法生成不同载荷条件、初始位移和体积分数下的优化结构数据集;然后,分别利用Pix2pix和Esrgan网络解决其跨分辨率预测问题,其中对于Pix2pix网络,使用了残差模块代替其生成器内部的卷积模块,以增强网络对低层信息的复用;最后,通过二维和三维算例验证了所提方法的有效性,并与现有基于CGAN(conditional generative adversarial network)网络的方法进行了比较研究。结果表明,综合考虑计算精度和计算效率,基于Esrgan网络的方法表现更优,最适合应用于跨分辨率拓扑优化设计。

关键词：拓扑优化柔顺度跨分辨率预测 Pix2pix Esrgan

基于改进SGM的废旧机械零件彩色三维重建方法

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激光与光电子学进展 2024年第12期61卷 114-124页

作者：张泽琳曹星王蕾夏绪辉武汉科技大学冶金装备及其控制省部共建教育部重点实验室武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室

为提高废旧机械零件再制造效率，对其表面失效状态进行全面检测，提出一种基于改进半全局匹配（SGM）的废旧机械零件彩色三维重建方法。针对机械零件结构复杂、实际环境下光照干扰大等因素导致的传统SGM算法生成的视差图效果不佳问题，... 详细信息

为提高废旧机械零件再制造效率，对其表面失效状态进行全面检测，提出一种基于改进半全局匹配（SGM）的废旧机械零件彩色三维重建方法。针对机械零件结构复杂、实际环境下光照干扰大等因素导致的传统SGM算法生成的视差图效果不佳问题，提出一种多特征代价融合策略，通过融合颜色代价、Census变换及梯度信息，构建更为全面的相似性度量函数以提高初始代价的可靠性。在代价聚合过程中，增设梯度阈值判定条件划分弱纹理和边缘区域，并采用高斯函数对局部交叉域进行距离加权，提高算法在图像光照失真区域以及零件弱纹理区、边缘复杂结构处的匹配效果。最后，通过视差计算和多步骤视差优化处理得到最终的精细视差图，进而通过RGB图像纹理映射实现对废旧机械零件的彩色三维模型重建。实验结果表明，所提方法重建的三维彩色模型纹理清晰且尺寸误差较小，所提方法适用于实际产线中对废旧机械零件的表面失效信息在线分析。

关键词：废旧机械零件双目视觉半全局匹配彩色三维重建

激光熔覆MoNbTaVW难熔高熵合金涂层微动磨损性能

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材料导报 2024年第7期38卷 173-178页

作者：董颖辉陈飞寰蔡召兵林广沛卢冰文张坡古乐武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081 广东省科学院新材料研究所广州510651

研究了采用激光熔覆技术制备的MoNbTaVW难熔高熵合金涂层在不同载荷(10N、20N、30N)、不同微动磨损幅值(50μm、150μm、250μm)、不同循环次数(5000、10000、15000)下的微动磨损性能及微动磨损机制。结果表明:所制备的MoNbTaVW难熔高... 详细信息

研究了采用激光熔覆技术制备的MoNbTaVW难熔高熵合金涂层在不同载荷(10N、20N、30N)、不同微动磨损幅值(50μm、150μm、250μm)、不同循环次数(5000、10000、15000)下的微动磨损性能及微动磨损机制。结果表明:所制备的MoNbTaVW难熔高熵合金涂层由Fe_(7)Ta_(3)型HCP固溶体相、FCC固溶体相及(Fe,Ni)基体相组成,其中FCC相为未熔的高熵合金粉末。根据正交实验极差分析可知,微动磨损幅值对磨损体积的影响最大,微动磨损载荷对磨损体积的影响次之,微动磨损循环次数对磨损体积的影响最小,其中MoNbTaVW难熔高熵合金涂层在15000次、20N、250μm微动磨损条件下的磨损体积达到最大值;微动磨损载荷对摩擦系数的影响最大,微动磨损幅值对摩擦系数的影响次之,微动磨损循环次数对摩擦系数的影响最小,其中MoN bTaVW难熔高熵合金涂层在10000次、30 N、150μm微动磨损条件下的摩擦系数达到最大值。MoNbTaVW难熔高熵合金涂层的微动磨损机制主要为氧化磨损和黏着磨损,磨损产生的磨损碎片主要为Ta、W的氧化物。

关键词：难熔高熵合金微动磨损摩擦学性能正交实验

动态数据流驱动的再制造拆解工艺知识图谱构建方法

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计算机集成制造系统 2024年第3期30卷 879-892页

作者：江志刚谢彬朱硕张华鄢威代明仁武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学绿色制造工程研究院湖北武汉430081 谷城万利铸造有限公司湖北襄阳441705

高效稳定的再制造拆解是实施规模化再制造的重要前提。然而,废旧零部件的内部结构、损伤特征等存在较大差异,需要对拆解工艺进行频繁调整,从而造成再制造拆解效率低、质量稳定性差,严重制约了再制造规模化效益。为此,提出一种从动态数... 详细信息

高效稳定的再制造拆解是实施规模化再制造的重要前提。然而,废旧零部件的内部结构、损伤特征等存在较大差异,需要对拆解工艺进行频繁调整,从而造成再制造拆解效率低、质量稳定性差,严重制约了再制造规模化效益。为此,提出一种从动态数据流中提取个性化拆解工艺知识的知识图谱构建方法,利用知识的高效更新与重用提升再制造拆解效率与质量。首先,分析再制造拆解工艺数据的动态时序性特点,以拆解工位为数据分析节点,建立动态数据流模型。其次,基于工位数据对拆解工艺知识进行分类,构建包含拆解过程知识、资源知识和特征知识的本体模型,并利用命名实体识别模型(ALBERT-BiLSTM-CRF)和自然语言处理方法自动抽取拆解工艺知识。进而,提出一种动态数据流驱动的图谱更新机制,实现知识图谱对拆解工艺调整的快速响应。最后,以某型号废旧动力电池包拆解为例,验证所提方法的有效性。

关键词：再制造拆解拆解工艺知识图谱图谱更新

基于深度强化学习的工业机器人数字孪生模型更新方法

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航空制造技术 2024年第11期67卷 48-55页

作者：段现银秦志强唐小卫向峰武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 华中科技大学武汉430074

工业机器人的数字孪生模型能够模拟真实世界中工业机器人的行为和性能,但其仿真精度会受场景更新和设备磨损等使役工况的影响而下降。对此,本文提出了一种基于深度强化学习的工业机器人数字孪生模型更新方法。该方法应用仿真工具Coppeli... 详细信息

工业机器人的数字孪生模型能够模拟真实世界中工业机器人的行为和性能,但其仿真精度会受场景更新和设备磨损等使役工况的影响而下降。对此,本文提出了一种基于深度强化学习的工业机器人数字孪生模型更新方法。该方法应用仿真工具Coppeliasim建立了工业机器人数字孪生模型,同时基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法对数字孪生模型的PID参数、关节阻尼等关键参数进行优化,实现模型的参数更新,提高模型精度。最后,通过ABB–IRB2400工业机器人仿真同步试验,验证了所提方法的有效性。

关键词：深度强化学习工业机器人数字孪生深度确定性策略梯度(DDPG) 模型更新

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欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析

武汉科技大学学报 2024年第1期47卷 47-54页

作者：张林王兴东孙伟龚彩云武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081

传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。... 详细信息

传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。

关键词：欠驱动灵巧手协同耦合设计尺度综合动力学仿真

基于MIC和IPSO-RELM的带钢热镀锌板锌层厚度预测

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热加工工艺 2024年

作者：方军王兴东汪洋吴宗武丁健宝信软件武汉有限公司武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点试验室宝钢股份武汉钢铁有限公司

针对带钢热镀锌板锌层厚度偏差易受产线多变量强耦合和测厚仪滞后时间长等因素影响的问题，提出一种基于最大信息系数(MIC)以及改进的粒子群算法优化正则化极限学习机(IPSO-RELM)的带钢锌层厚度预测方法。首先，采集生产过程数据进行相... 详细信息

针对带钢热镀锌板锌层厚度偏差易受产线多变量强耦合和测厚仪滞后时间长等因素影响的问题，提出一种基于最大信息系数(MIC)以及改进的粒子群算法优化正则化极限学习机(IPSO-RELM)的带钢锌层厚度预测方法。首先，采集生产过程数据进行相关预处理；然后，利用MIC法对各参数变量进行重要性排序，确定影响锌层厚度的关键因素；最后，将筛选的变量作为输入项建立RELM预测模型，并通过IPSO算法优化模型的随机性参数，有效提高了模型的稳定性和预测精度。结果表明：所建立模型预测结果的拟合决定系数R2为94.66%，预测误差在-4～4 g/m2的样本点命中率达到96%，且模型的3项评价指标均优于其他对比算法，证明了所提方法预测精度高，可为带钢热镀锌板产品质量的提升奠定基础。

关键词：带钢热镀锌锌层厚度预测最大信息系数改进的粒子群算法正则化极限学习机