李菊華，王訓(xùn)杰

（1.江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕紡服裝學(xué)院，江西南昌 330029；2.江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西南昌 330029）

1 引言

渦旋壓縮機(jī)偏心主軸回轉(zhuǎn)過程中將產(chǎn)生離心力，并且離心力不是一個(gè)平面匯交力系，在設(shè)計(jì)中通常需要二次平衡[1]。解決渦旋壓縮機(jī)的動平衡問題一般采用選取二個(gè)校正面進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程基于經(jīng)驗(yàn)類比，進(jìn)行必要的分析與計(jì)算，獲得可行性的解決方案，但要獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，需要花費(fèi)大量時(shí)間。如何從動平衡較多的影響因素中尋求到一個(gè)最優(yōu)方案，本文提出了一種在ISIGHT軟件集成環(huán)境下，運(yùn)用simcode組件集成軟件Pro/E、Adams和計(jì)算器，進(jìn)行渦旋壓縮機(jī)動平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

以某型渦旋壓縮機(jī)為例，優(yōu)化后傳動系統(tǒng)動平衡綜合性能有明顯提高，分析結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性及可行性，該方法實(shí)現(xiàn)了動平衡設(shè)計(jì)流程的全數(shù)字化和全自動化，大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，同時(shí)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。

2 動平衡仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成框架

ISIGHT軟件是一個(gè)開放的集成平臺，通過過程集成模塊可以方便地將相應(yīng)的商業(yè)軟件或自編程序集成在一起[2]。首先，按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，確定大小平衡塊的基本參數(shù)和放置位置，建立渦旋壓縮機(jī)傳動機(jī)構(gòu)Pro/E裝配體模型，并利用mechanism/Pro中定義剛體和約束，通過其數(shù)據(jù)交換接口輸出ADAMS軟件支持的aview.cmd命令文件；然后，在ADAMS中定義樣機(jī)模型的運(yùn)動仿真，輸出分析數(shù)據(jù)；其次，在計(jì)算器中讀入ADAMS中輸出的數(shù)組，進(jìn)行公式編輯，獲取目標(biāo)函數(shù)值。最后，采用ISIGHT軟件多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行分析。渦旋壓縮機(jī)動動平衡設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成框架如圖1。

3 基于ISIGHT軟件集成優(yōu)化系統(tǒng)框架

3.1 參數(shù)化模型的建立

參數(shù)化模型的建立是構(gòu)建渦旋壓縮機(jī)動平衡仿真設(shè)計(jì)的前提。利用Pro/E軟件參數(shù)化建模的特點(diǎn)，依據(jù)產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立三維模型，并定義每個(gè)零件密度?？紤]到影響動平衡的參數(shù)較多，本文在保證平衡塊外形基本不變的情況下，選取影響平衡塊質(zhì)量和質(zhì)心位置較大的參數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)，設(shè)置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸參數(shù)如圖2。

3.2 組件的集成

ISIGHT軟件系統(tǒng)集成主要用到Optimization組件和Simcode組件，其中Optimization組件需要定義優(yōu)化變量、優(yōu)化約束、優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化方法等；Simcode組件需要定義輸入文件、輸出文件及批處理文件。渦旋壓縮機(jī)動平衡ISIGHT軟件集成優(yōu)化系統(tǒng)框架如圖3。

（1）利用Simcode組件集成Pro/E軟件

通過ISIGHT運(yùn)行Pro/E批處理文件（Goproe.bat）并讀取Trail文件，實(shí)現(xiàn)ISIGHT與Pro/E之間的輸入?yún)?shù)傳遞、參數(shù)化模型驅(qū)動及更新。具體方法如下：

保存參數(shù)化模型進(jìn)行再讀取，編輯修改圖2中10個(gè)尺寸，并進(jìn)行模型及時(shí)更新，在mechanism/Pro中讀取動力學(xué)分析配置文件*.mpr，通過其數(shù)據(jù)交換接口輸出aview.cmd命令文件，該文件將作為Adams軟件集成的輸入文件，最后利用模型在操作過程中生成的*.trail文件作為Pro/E組件的輸入文件，圖2中修改尺寸作為Simcode 組件輸入?yún)?shù)，完成Pro/E輸入?yún)?shù)解析；添加批處理文件goproe.bat，如：“D：/Program Files（x86）/proeWildfire 3.0/bin/proe.exe”pro_wait-g：no_graphics，運(yùn) 行Pro/E組件完成相關(guān)的解析，完成Pro/E軟件的集成。

（2）利用Simcode組件集成ADAMS軟件

通過ISIGHT運(yùn)行ADAMS批處理文件（goadams.bat），ADAMS運(yùn)行宏錄制產(chǎn)生的命令流文件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型的運(yùn)動分析與測量，為優(yōu)化目標(biāo)生成作準(zhǔn)備。具體方法如下：

圖1 傳動系統(tǒng)動平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸參數(shù)

錄制宏，導(dǎo)入Pro/E組件輸出文件aview.cmd，按常規(guī)操作設(shè)置驅(qū)動參數(shù)、設(shè)定運(yùn)動仿真、測量、后處理等一系列操作，生成的宏文件；編寫goadams.bat批處理文件并執(zhí)行，如：“D：/MSC.Software/MD_Adams_x64/2010/common/mdi.bat”av rust b record_macro.cmd，測量輸出的數(shù)據(jù)文件作為ISIGHT輸出文件，將輸出以數(shù)組的方式進(jìn)行讀取，完成ADAMS輸出參數(shù)解析；運(yùn)行g(shù)oadams組件完成相關(guān)的解析，完成ADAMS 軟件的集成。

（3）其他組件集成

通過計(jì)算器組件讀取ADAMS計(jì)算得到的數(shù)據(jù)文件，采用函數(shù)編輯得出目標(biāo)函數(shù)；編寫直接命令del.cmd，使用OS組件清理運(yùn)行過程中產(chǎn)生的文件，如：del***/aview.cmd；del***/*.slp。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的描述

以蘭州理工大學(xué)渦旋壓縮機(jī)研究所開發(fā)的WKY1.5為例，設(shè)計(jì)參數(shù)初始設(shè)定值如下表1。

設(shè)計(jì)變量：x=[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10]

狀態(tài)變量：xmin≤x≤xmix（i=1，2，…，10），變量范圍如表1。

采用渦旋壓縮機(jī)主軸支撐的3個(gè)軸承的支撐力、箱體底板支撐力、輸入扭矩及其相關(guān)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差組合函數(shù)為約束目標(biāo)f1、f2，目標(biāo)函數(shù)為minf1，minf2及模型質(zhì)量m最小化[3]，其中

圖3 渦旋壓縮機(jī)動平衡集成優(yōu)化系統(tǒng)框架

式中x——設(shè)計(jì)變量

w1、w2——加權(quán)因子

式中Sf（1）、Sf（2）、Sf（3）、Sf（4）——一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)機(jī)架及左、中、右3個(gè)軸承的支撐力的標(biāo)準(zhǔn)偏差

ST（5）——輸入轉(zhuǎn)矩的標(biāo)準(zhǔn)偏差

w3、w4、w5、w6、w7——加權(quán)因子[4]、[5]

4.2 優(yōu)化流程調(diào)試與運(yùn)行

基于ISIGHT環(huán)境優(yōu)化流程集成過程，如圖4，是參數(shù)化建模、動力學(xué)分析和優(yōu)化評估設(shè)計(jì)的全過程，涉及參數(shù)文件解析，各組件設(shè)置與輸出文件解析。調(diào)試完成后，保存為*.zmf文件。

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

DOE分析采用最優(yōu)拉丁超立方方法，計(jì)算點(diǎn)數(shù)（Number of Points）為20。通過Pareto圖分析10個(gè)參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的貢獻(xiàn)度，如圖5，影響“f1”正效應(yīng)依次為x2-x6、x10-x6、x3-x4…；如圖6，影響“f2”正效應(yīng)依次為x8^2、x2^2、x7^2…。

選擇優(yōu)化算法NSGA-Ⅱ?qū)u旋壓縮機(jī)動平衡進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，設(shè)定種群數(shù)為36個(gè)，遺傳代數(shù)為10代，交叉變異率為0.8[6]，獲如圖7所示3個(gè)目標(biāo)函數(shù)（f1、f2、m）之間存在相互制約關(guān)系。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖4 ISIGHT自動優(yōu)化流程集成

圖5 10個(gè)參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)f1的貢獻(xiàn)度

圖6 10個(gè)參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)f2的貢獻(xiàn)度

圖7 9個(gè)目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系

經(jīng)過多次迭代計(jì)算得出Optimization組件計(jì)算pareto結(jié)果，第345次為優(yōu)化的最佳值，輸入各個(gè)參數(shù)的最終優(yōu)化結(jié)果如表1。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)變化情況見表2。

由表2可知，優(yōu)化結(jié)果中，優(yōu)化目標(biāo)f1降低了86.06%；優(yōu)化目標(biāo)f2降低了93.4%，裝配體的質(zhì)量從29.236 kg減少到29.0033 kg，減重達(dá)到1%。

表2 動平衡優(yōu)化目標(biāo)前后結(jié)果對比

4 結(jié)語

（1）利用ISIGHT環(huán)境實(shí)現(xiàn)了Pro/E、ADAMS和計(jì)算器的集成，完成了渦旋壓縮機(jī)傳動系統(tǒng)動平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)框架；

（2）以主軸三軸承支撐合力、箱體底板的支撐力、主軸輸入扭矩及相應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為優(yōu)化目標(biāo)，對影響平衡塊的軸向布局、質(zhì)量和質(zhì)心位置的尺寸的10個(gè)參數(shù)提出優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和遺傳算法的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化動平衡研究；

（3）在模型質(zhì)量約有下降的情況下，優(yōu)化目標(biāo)有了較大幅度的降低，達(dá)到了較好的綜合平衡效果。