Progettazione di cerniere pesanti con grande angolo di rotazione basato sullo sciame di particelle Ottimizzazione_hinge Know

Le cerniere sono componenti essenziali nei dispositivi meccanici, consentendo movimento e rotazione. Mentre vari tipi di cerniere sono stati ampiamente utilizzati nelle industrie, come cerniere rotanti, cerniere di zoccolo, cerniere sferiche, cilindri idraulici e coppie di dadi a vite a sfere, hanno ancora alcune limitazioni. Ad esempio, sotto carichi pesanti, le cerniere tradizionali devono essere spesse per soddisfare i requisiti di rigidità. Inoltre, in casi speciali in cui lo spazio è limitato e i carichi sono grandi, le cerniere tradizionali possono lottare per svolgere la loro funzione.

Di conseguenza, c'è stato un crescente interesse nella ricerca di nuovi design delle cerniere. L'algoritmo di ottimizzazione dello sciame di particelle (PSO), un tipo di algoritmo di intelligenza dello sciame, ha ottenuto uno sviluppo e un'applicazione significativi nei campi ingegneristici. Questo algoritmo utilizza il comportamento dei gruppi di uccelli che volano per il cibo per ottenere soluzioni ottimali in spazi complessi attraverso la collaborazione e la competizione tra gli individui. Gli algoritmi PSO sono altamente efficienti, facili da implementare e ampiamente utilizzati nella pratica ingegneristica. Il processo di base di un algoritmo PSO include l'inizializzazione, il volo delle particelle e la determinazione del risultato. L'algoritmo inizia generando casualmente una popolazione iniziale di particelle, che si muovono all'interno della regione fattibile. Calcolando il valore di fitness di ciascuna particella, l'algoritmo determina la nuova direzione e la velocità di movimento di ciascuna particella. Durante ogni round di movimento delle particelle, la particella ottimale e la particella ottimale storica hanno una maggiore influenza sul prossimo giro di movimento. Dopo molteplici iterazioni, l'algoritmo ottiene la soluzione ottimale.

Le prestazioni di convergenza dell'algoritmo PSO sono state migliorate introducendo pesi di inerzia, come proposto da Shi ed Eberhart. L'equazione dell'evoluzione delle particelle coinvolge diversi componenti, tra cui inerzia, cognizione e cooperazione sociale. I parametri dell'algoritmo, come la velocità delle particelle e il numero di iterazioni, possono essere regolati in base a requisiti specifici. Gli algoritmi PSO sono diventati un algoritmo di ottimizzazione intelligente ampiamente utilizzato nelle applicazioni di ingegneria e spesso superano gli algoritmi genetici. Tuttavia, gli algoritmi PSO affrontano ancora sfide, come la convergenza prematura. Pertanto, ci sono state ricerche significative dedicate al miglioramento dell'algoritmo PSO e ad affrontare i suoi limiti.

Nel contesto della progettazione della cerniera, i requisiti del progetto includono una capacità di carico di 3 tonnellate e un angolo di rotazione di ± 90 gradi, con dimensioni non superiori a 2000 mm x 500 mm x 1000 mm. Per soddisfare questi requisiti, il meccanismo 2RPR è selezionato come meccanismo di cerniera. Questo meccanismo è costituito da una coppia rotante e una coppia mobile, che offre elevata rigidità, regolazione degli errori e capacità di compensazione. Inoltre, il meccanismo è simmetrico, consente una facile installazione e manutenzione.

Durante il processo di progettazione di ottimizzazione, i requisiti di angolo di rotazione e dimensione vengono soddisfatti applicando vincoli geometrici. Tuttavia, la sfida chiave sta nel garantire che il meccanismo abbia eccellenti capacità di trasmissione della forza. Questo è in genere ottenuto impostando un angolo di trasmissione minimo per il meccanismo.

Per analizzare la trasmissione della forza, l'asta è selezionata come oggetto di analisi. Supponendo una massa di carico di M e una distanza di d tra il suo centro di massa e la coppia di rotazione, viene esaminata la forza esercitata sull'asta. Considerando gli angoli tra le forze e l'asta, nonché l'angolo tra l'asta e l'asse X, viene derivata un'equazione dell'equilibrio della forza. Questa equazione garantisce le capacità di trasmissione della forza del meccanismo.

Sulla base dei risultati dell'analisi, la coppia mobile è progettata di conseguenza. Un modello di cilindro elettrico, GSX40-1201, viene selezionato preliminariamente, tenendo conto della corsa, della spinta e delle dimensioni assiali. Altri fattori, come la dimensione dei componenti, sono anche considerati nella progettazione finale. I cuscinetti scorrevoli in bronzo in alluminio vengono scelti per ciascuna coppia rotante, considerando la loro elevata capacità di carico e i requisiti di precisione. I componenti principali sono realizzati in acciaio in lega 35 crmnsia, che offre elevata resistenza alla trazione e modulo elastico.

Al completamento del design meccanico, viene stabilito un modello CAD per visualizzare il design finale. L'algoritmo di ottimizzazione dello sciame di particelle ha ottimizzato con successo la progettazione della cerniera pesante ad angolo di grande rotazione, garantendo che soddisfi tutti i requisiti di progettazione.

In conclusione, l'algoritmo di ottimizzazione dello sciame di particelle si è dimostrato efficace nell'ottimizzazione della progettazione di una cerniera pesante ad angolo di rotazione. Attraverso un'attenta configurazione e analisi, è stata raggiunta la progettazione ottimale del meccanismo 2RPR. La progettazione meccanica, compresa la selezione di componenti e materiali, è stato completato con successo. Il modello CAD fornisce una rappresentazione visiva del design finale. Nel complesso, gli algoritmi di ottimizzazione dello sciame di particelle offrono uno strumento prezioso per la progettazione efficiente ed efficace delle cerniere e contribuiscono a migliorare le prestazioni e la funzionalità dei dispositivi meccanici in vari settori.

Riferimenti:

1. Wei Minhe, Han Xianguo, Zhang Jun. Ricerca di ottimizzazione sulla cerniera di palla da biliardo parallela 3-up/s [J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2011 (3): 19-23.

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