工程技术大学学报

响应面模型与多目标遗传算法相结合的机床立柱参数优化

于海莲，王永泉，陈花玲，等

摘要：目的：目前，机床等复杂机械结构的工程设计仍较多地局限于广义的优化设计，即设计者根据经验，安排有限数量的参数组合方案进行数值计算与分析比较，然后从中优选出性能相对最好的参数组合作为设计结果。这种设计方法的缺点是很难保证所选择的参数组合是真正最优的方案，而且参数挑选和数值分析往往需要耗费大量时间，难以适应现代精密机床设计制造的需要。针对这一问题，以某型精密卧式加工中心为研究对象，提出了一种将响应面模型与多目标遗传算法相结合的优化设计方法，并应用其对该机床的龙门立柱结构进行了参数优化。方法：首先在对原结构进行静力学和模态分析的基础上，找出了初始设计中的薄弱环节，建立了以立柱静刚度最大（等效为立柱上滑鞍导轨安装处变形最小）和一阶固有频率最高为优化目标，以立柱壁厚、各加强筋条（筋板）厚度，以及清砂孔直径等7个尺寸参数为设计变量，以立柱质量为约束条件的多目标优化模型。为获得关于优化函数的显式表达式，分别构造了由前述7个设计参数所决定的以立柱最大变形、一阶固有频率及质量为输出（响应）变量的初始二阶多项式响应面模型；采用拉丁超立方试验设计方法，在设计空间抽取100个样本点进行有限元数值模拟试验，并基于试验所得离散数据，利用最小二乘法拟合得到了响应面模型中的多项式参数。随后利用非支配排序多目标遗传算法NSGA-Ⅱ进行循环逼近优化，在每次迭代过程中，根据上一次优化的结果是否实现优化目标的改进来判断是否需要变化设计空间，若是则重新构造设计空间，在设计区间内增加样本点，并用其中的样本点更新响应面模型，再对其进行优化。重复上述迭代过程，直至满足收敛条件为止。该方法中每一次响应面模型建立与优化的过程，称为一次外循环。结果：经过29次外循环（其中有21次变区间优化），最后得到该双目标优化问题的Pareto最优解集。该Pareto解集表现为折线形式，其排列趋势表明：立柱结构固有频率的增加也将导致立柱导轨处最大变形的增加，即两个目标函数具有矛盾性。通过权衡两个目标的重要性，将立柱的优化问题的最优解选定为折线折点处对应的设计参数。结果显示在质量不变的条件下，该优化解可使立柱一阶固有频率增加15.9%，导轨处最大变形减小7.7%，优于传统方法的优化结果。结论：提出的将响应面模型与多目标遗传算法相结合的优化方法，不但能实现较高精度的全局搜索寻优，而且与目前机床结构优化中普遍采用的基于多次数值分析的方案优选法相比，具有较高的计算效率。该法同时也适用于机床中其他零部件或类似复杂机械结构的优化问题。

来源出版物：西安交通大学学报, 2012, 46(11): 80-85

入选年份：2016

机械合金化Mg2Ni储氢材料的吸氢动力学实验研究

曹鑫鑫，杨福胜，吴震，等

摘要：目的：高容量低成本的Mg2Ni储氢合金的吸氢动力学性能受到氢压和操作温度的影响，且储氢过程中Mg2Ni合金与氢反应的机理仍处于争论之中，已有的吸氢反应动力学模型仍难以准确描述Mg2Ni合金吸氢反应过程。基于实验研究，制备了Mg2Ni储氢合金，并利用压力—组分—温度测试仪测量了不同压力和温度下Mg2Ni合金的吸氢动力学特性，建立其吸氢反应动力学模型，探索Mg2Ni合金的吸氢机理。方法：首先采用机械合金化方法合成 Mg2Ni储氢合金，利用莱驰 PM100行星式球磨仪对高纯度的镁粉（质量分数99%，下同）和镍粉（99.5%）等原料在惰性气体氩气保护下进行密封湿磨球磨70 h，球磨过程采用变转速方式，即转速在350～450 r/min范围内变动。合成过程中，镁镍原料的摩尔比为2︰1，选用液体苯作为球磨的过程控制剂，球料比（质量比）为10︰1，磨球（直径为10 mm，数量为 10个）和球磨罐都采用高硬度的碳化钨材质，以避免合成样品受球磨材质的污染。球磨后的样品经过烘干除苯操作之后，利用X射线衍射仪（XRD）对其进行了相组成物性表征。此外，通过定容测试法，采用由北京有色金属研究总院生产的缓冲容积式压力—组分—温度（P-C-T）测试仪对合成的 Mg2Ni储氢合金的吸氢动力学性能进行实验测试并实时采集与记录实验数据。吸氢动力学性能测试时，需首先利用惰性气体氩气进行系统的体积标定，然后充入氢气对Mg2Ni合金进行多次吸放氢反应活化，当每次吸放氢过程的储氢量达到稳定时，才开始进行吸氢动力学性能测试。最后，基于不同压力和温度下 Mg2Ni的吸氢动力学实验数据，建立Mg2Ni储氢合金的吸氢动力学模型并探讨其吸氢机理。结果：XRD物性表征显示：氩气保护气氛下行星式球磨70 h后的产物由主相Mg2Ni合金和少量未反应的Mg、Ni组成。合成的Mg2Ni合金在673 K温度和7.40 MPa氢压下吸放氢循环两次后，其吸氢量和反应速率基本保持不变，即样品达到完全活化状态。一般而言，根据Arrhenius表达式，反应速率随着温度的升高而变大；而对于镁基合金，在同一初始氢压（7.40 MPa），不同温度（523 K、573 K、623 K和673 K）下，其吸氢动力学曲线表明：反应速率随着反应温度的升高而变慢，且反应速率最快的阶段在于吸氢反应最开始的几分钟。另一方面，在同一温度，不同初始氢压（3.55 MPa、5.55 MPa和7.46 MPa）下，Mg2Ni合金的吸氢反应速率随着初始氢压的增大而变快，且吸氢量也随之越来越大。根据传统的气固反应模型对实验数据进行拟合处理，计算得到不同温度下反应份数f和时间t的线性关系式以及反应速率常数k与温度T之间的关联式，以此获得不同温度和压力下Mg2Ni吸氢反应过程的反应速率常数、指前因子和活化能，如Mg2Ni在673 K和7.40 MPa下的反应速率常数、指前因子和活化能分别为 0.0063，15.52和43.47 kJ/mol H2。进一步与JDM（Jander扩散模型）、JMA和Chou模型进行拟合对比研究发现，在Mg2Ni合金反应初始阶段（100 s之内），以金属氢化物形核长大控制为主建立的 JMA模型与实验数据吻合较好；而在反应后期，以扩散为基础建立的JDM模型和Chou模型与实验结果吻合较好。结论：机械合金化制备的Mg2Ni合金易活化，在673 K和7.40 MPa氢压下只需3次吸放氢循环即可完成活化。不同于一般的气固反应速率与温度之间的变化关系，Mg2Ni合金的吸氢过程中压力越大、温度越低，反应速率越快，且反应过程主要受压力而不是温度影响。这是因为Mg2Ni吸氢反应的推动力是初始氢压和反应平衡氢压之间的压力差，压力差越大，吸氢速率越大。而储氢材料吸氢过程需满足Van’t Hoff方程，温度越高，反应平衡氢压越大，故推动力越小。Mg2Ni合金的吸氢机理是反应初期由金属氢化物形核长大为主控制，而反应后期则是氢在金属氢化物中的扩散过程为速控步骤。其他：Mg2Ni合金的吸氢机理明晰化有助于为Mg2Ni较缓慢的动力学性能改善提供指导方向，例如，可添加促进金属氢化物形核生长和发展的“成核剂”以加快Mg2Ni吸氢反应。

来源出版物：西安交通大学学报, 2013, 47(5): 44-50

入选年份：2016