机械设备管路自动敷设设计方法的研究

论文摘要

随着工业化的不断发展,各种管路在汽车、舰船、化工、航天、航空等机械设备中得到了广泛的应用,但同时由于这些机械设备结构复杂、零部件繁多、集成性高和内部装配空间小等特点,管路敷设严重地制约着这些机械设备的研制速度和生产周期。长期以来,机械设备中的管路敷设设计（PLD）主要是由人工完成,这使管路敷设设计很大程度上依赖人的实践经验。虽然管路人工敷设设计过程简单,但是随着机械设备多样性的增加,管路敷设设计呈现出随机性、模糊性以及动态性特点,管路人工敷设设计已经不能适应设计周期短、优化程度高、易于实施等要求。随着计算机技术的飞速发展,数字化设计方法为机械设备管路敷设提供了有力的支持和新的手段,如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、敏捷制造（AM）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）等。依靠这些数字化虚拟技术,机械设备管路敷设设计进入到了数字化时代。通过在数字化技术中引入人工智能技术,机械设备管路敷设设计不仅可以避开人工敷设管路的复杂劳动,而且缩短了管路敷设周期,减少了开发成本,同时还能提高管路敷设质量。目前管路敷设设计在如下方面存在缺陷:可实施性,优化性和复杂性。针对可实施性的不足,本文提出混沌栅格预处理模型。根据预处理模型的目的,给出预处理模型的性质。基于混沌过程理论构造混沌栅格预处理模型。针对工程应用的需要,分别提出规则体预处理模型,规则面预处理模型,非规则体预处理模型和非规则面预处理模型,并给出应用示例。在管路敷设设计中,管路敷设设计的约束条件和优化评价标准是不容忽略的,尤其对于管路优化性要求。在优化评价标准中,本文基于管路在实际工程中的敷设要求,分别给出简单管路成本评价标准,复杂管路成本评价标准,简单管路运行评价标准和复杂管路运行评价标准。基于混沌栅格预处理模型和管路自动敷设问题的定义,提出管路敷设设计解空间的表达方法。针对管路敷设约束条件,本文给出基于预处理模型的约束实现。然后,本文对粒子群算法（PSO）进行深入的研究。针对粒子群算法优化速度慢、早熟现象明显等问题,对粒子群算法进行改进,提出改进粒子群算法（modified particle swarm optimization,M-PSO）。通过引入人口迁移的思想,在保证算法收敛性的同时,使M-PSO算法具有良好的优化速度和优化效果。通过理论分析,证明算法具有良好的收敛性。并利用试验方法确定M-PSO算法中的参数设置。基于M-PSO算法,针对复杂管路运行代价问题,本文提出基于流动阻力损失的管路自动敷设算法;针对分支管路敷设问题,本文提出基于流动阻力损失和成本评价的分支管路自动敷设算法。对于多管路协同敷设,本文提出协同管路自动敷设算法。在协同敷设算法中,通过改造M-PSO算法,引入四种协同算子,实现多管路协同敷设设计。最后,本文在Unigraphics NX环境下,利用UG/Open API和VC 6.0开发管路敷设系统软件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 机械设备管路自动敷设研究现状
• 1.2.1 计算机辅助管路敷设系统
• 1.2.2 管路敷设约束模型
• 1.2.3 管路自动敷设优化算法
• 1.3 组合优化算法的发展
• 1.3.1 组合优化算法现状
• 1.3.2 粒子群算法
• 1.4 课题的来源及主要研究内容
• 第2章 基于混沌过程预处理模型
• 2.1 引言
• 2.2 管路自动敷设预处理模型
• 2.2.1 管路自动敷设基本概念
• 2.2.2 管路自动敷设预处理模型性质
• 2.3 混沌栅格预处理模型
• 2.3.1 混沌过程
• 2.3.2 混沌参数确定
• 2.3.3 构建混沌栅格预处理模型
• 2.4 协同混沌栅格预处理模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 管路自动敷设评价方法
• 3.1 引言
• 3.2 管路自动敷设可行性规则
• 3.3 管路自动敷设成本代价评价
• 3.3.1 单管路成本评价模型
• 3.3.2 协同管路成本评价模型
• 3.4 管路自动敷设运行代价评价
• 3.4.1 单管路流动阻力计算
• 3.4.2 分支管路流动阻力计算
• 3.5 管路自动敷设解空间表达方法
• 3.6 示例研究
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于M-PSO算法单管路自动敷设方法
• 4.1 引言
• 4.2 粒子群算法（PSO）简介
• 4.2.1 粒子群算法描述
• 4.2.2 粒子群算法的研究及存在的不足
• 4.3 M-PSO算法
• 4.3.1 M-PSO算法描述
• 4.3.2 M-PSO算法流程
• 4.4 M-PSO算法收敛性分析
• 4.5 M-PSO算法性能分析
• 4.5.1 算法对比分析
• 4.5.2 算法参数选择
• 4.5.3 种群数量的影响
• 4.5.4 迁移率的影响
• 4.6 应用示例
• 4.7 本章小结
• 第5章 复杂管路自动敷设方法
• 5.1 引言
• 5.2 分支管路自动敷设方法
• 5.2.1 等径分支管路敷设方法
• 5.2.2 不等径分支管路敷设方法
• 5.2.3 基于流阻损失的分支管路敷设方法
• 5.2.4 分支管路敷设示例
• 5.3 管路协同敷设设计
• 5.3.1 协同管路敷设算法模块
• 5.3.2 协同算子
• 5.3.3 协同管路敷设算法流程
• 5.3.4 协同管路敷设算法仿真和示例
• 5.4 应用示例
• 5.5 本章小结
• 第6章 管路敷设设计系统
• 6.1 引言
• 6.2 系统结构
• 6.3 管路自动敷设设计
• 6.4 手动修改管路设计
• 6.5 管路约束检查模块
• 6.6 管路属性分析模块
• 6.7 管路拆分模块
• 6.8 管路标准链接件库
• 6.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历