(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111283236.7 (22)申请日 2021.11.01 (71)申请人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 华林　柳泽阳　洪晴岚　宋燕利　 (74)专利代理 机构 武汉智嘉联合知识产权代理 事务所(普通 合伙) 42231 代理人 黄君军 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/06(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种机械装备结构优化设计方法及系统 (57)摘要 本申请涉及一种机械装备结构优化设计方 法及系统， 其方法包括建立不同工况负荷下机械 装备的有限元模 型， 并通过所述有限元模型的仿 真分析确定出机械装备的多个关键设计变量； 对 所述多个关键设计变量进行采样， 并将采样点输 入至所述有限元模型， 得到每个采样点对应的响 应值， 以构建仿真近似模型并进行模型精度评 估； 基于满足模型精度要求的仿真近似模型， 建 立所述机械装 备的结构优化模型； 通过改进的模 拟退火粒子群算法对所述结构优化模型进行全 局搜索， 以确定所述关键设计变量的最优取值。 本申请能够高效完成机械装备的优化结构设计， 并提高机 械装备的结构设计精准度。 权利要求书2页 说明书11页 附图8页 CN 114065418 A 2022.02.18 CN 114065418 A 1.一种机 械装备结构优化设计方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 建立不同工况负荷下机械装备的有限元模型， 并通过所述有限元模型的仿真分析确定 出机械装备的多个关键设计 变量； 对所述多个关键设计变量进行采样， 并将采样点输入至所述有限元模型， 得到每个采 样点对应的响应值， 以构建仿真近似 模型， 并进行 所述仿真近似 模型的精度评估； 基于满足模型精度评估要求的仿真近似 模型， 建立所述机 械装备的结构优化模型； 通过改进的模拟退火粒子群算法对所述结构优化模型进行全局搜索， 以确定所述多个 关键设计 变量的最优取值。 2.根据权利要求1所述的机械装备结构优化设计方法， 其特征在于， 所述关键设计变量 至少包括与机 械装备力学性能最 直接相关的部件的板厚。 3.根据权利要求1所述的机械装备结构优化设计方法， 其特征在于， 所述响应值包括关 键设计变量的采样点在不同工况负荷下对应的最大位移值和最大等效应力值。 4.根据权利要求1所述的机械装备结构优化设计方法， 其特征在于， 所述仿真近似模型 采用二次多项式响应面模型； 则构建仿真近似模型并进行所述仿真近似模型 的精度评估， 包括： 根据关键设计 变量的采样点以及响应值， 计算 二次多项式响应面模型的决定系数R2； 判断决定系数R2是否满足预设精度范围； 若否， 则重新对所述多个关键设计变量进行采样， 增加采样点数量， 并通过有限元仿真 测试， 以迭代更新 二次多项式响应面模型直至满足模型精度评估。 5.根据权利要求1所述的机械装备结构优化设计方法， 其特征在于， 建立所述机械装备 的结构优化模型， 表示如下： if Di≤0， fi＝0,else fi＝Di 其中， Mobject(x)表示机械装备的目标优化函数； Di为约束函数， n为约束函数个数， M(x) 为机械装备整体重量， fi(x)表示仿真近似 模型； C为 惩罚因子 。 6.根据权利要求5所述的机械装备结构优化设计方法， 其特征在于， 所述通过改进的模 拟退火粒子群算法对所述结构优化模型进 行全局搜索， 以确定所述关键设计变量的最优取 值， 包括： (1)设置模拟退火粒子群算法的初始参数， 将关键设计变量设置为粒子的位置变量， 将 机械装备的目标优化 函数设置为粒子的适应度函数， 初始化粒子的种群； (2)计算粒子的个 体位置极值、 个 体适应度极值、 全局位置极值和全局适应度极值； (3)基于非线性动态惯性权重， 并根据预设的速度进化公式和位置进化公式更新粒子 的速度和位置， 并将粒子限制在预设范围内， 并以预设概 率进行位置自适应 变异； (4)评估每个粒子的适应度值， 根据约束函数淘汰适应度值较差粒子， 更新个体适应度 极值和全局适应度极值； (5)判断粒子是否满足预设的Metropolis准则， 若满足则更新粒子的个体位置极值和 全局位置极值， 并降温， 若不满足返回步骤(3)； (6)判断是否满足迭代终止条件， 若满足则输出全局位置极值和全局适应度极值， 否则 返回步骤(2)。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114065418 A 27.根据权利要求6所述的机 械装备结构优化设计方法， 其特 征在于， 粒子速度进化公式为 粒子位置进 化公式 其中， ω为非线性动态变化惯性权重； c1和c2为学习因子； rand1和 rand2为取值在[0， 1]之 间的随机数； 表示粒子个体位置极值； 表示粒子全局位 置极值； 为粒子i在t时刻的位置； 为粒子i在t+1时刻的位置； Vit为粒子i在t时刻的 速度； Vit+1为粒子i在t+1时刻的速度； 其中， 非线性动态变化惯性权重ω表示为： 其中， ωmin为最小 惯性权重； ωmax为最大惯性权 重， a、 b分别为迭代前期和后期递减速率影响因子 。 8.根据权利要求6所述的机械装备结构优化设计方法， 其特征在于， 所述预设范围包括 粒子速度Vit+1∈[Vmin,Vmax]、 粒子位置 则将粒子限制在预设范围内， 包 括： 若Vmin<Vit+1<Vmax， 则Vit+1保持不变， 若Vmax<Vit+1， 则Vit+1＝Vmax， 若Vit+1<Vmin， 则Vit+1＝ Vmin； 若 则 保持不变， 若 则 若 则 粒子位置自适应 变异表示为 rand为随机数。 9.根据权利要求6所述的机械装备结构优化设计方法， 其特征在于， 所述判断粒子是否 满足预设的Met ropolis准则， 包括： 计算优选粒子适应度之差 若ΔS<0， 则接受粒子新速度 Vit＝Vit+1 和新位置 若ΔS≥0， 则计算 如果p>rand(0,1)， 则接 受粒子新速 度Vit＝Vit+1和新位置 否则保持粒子 速度Vit和位置 不变。 10.一种机 械装备结构优化设计系统， 其特 征在于， 所述系统包括： 确定变量模块， 用于建立不同工况负荷下机械装备的有限元模型， 并通过所述有限元 模型的仿真 分析确定出机 械装备的多个关键设计 变量； 采样测试模块， 用于对所述多个关键设计变量进行采样， 并将采样点输入至所述有限 元模型， 得到每个采样点对应的响应值， 以构建仿 真近似模型， 并进 行所述仿真近似模型的 精度评估； 构建模型模块， 用于基于满足模型精度评估要求的仿真近似模型， 建立所述机械装备 的结构优化模型； 计算模块， 用于通过改进的模拟退火粒子群算法对所述结构优化模型进行全局搜索， 以确定所述多个关键设计 变量的最优取值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114065418 A 3