AISI 304/304L Χημικό συστατικό σωλήνα πηνίου από ανοξείδωτο χάλυβα, Βελτιστοποίηση παραμέτρων ελατηρίου πτυσσόμενου φτερού με χρήση του αλγόριθμου Honeybee

Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Ρυθμιστικά που εμφανίζουν τρία άρθρα ανά διαφάνεια.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά πίσω και επόμενο για να μετακινηθείτε στις διαφάνειες ή τα κουμπιά του ελεγκτή ολίσθησης στο τέλος για να μετακινηθείτε σε κάθε διαφάνεια.

AISI 304/304L Τριχοειδής σωλήνωση από ανοξείδωτο χάλυβα

Το πηνίο από ανοξείδωτο χάλυβα AISI 304 είναι ένα προϊόν για όλες τις χρήσεις με εξαιρετική αντοχή και είναι κατάλληλο για μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών που απαιτούν καλή μορφοποίηση και συγκολλησιμότητα.

Sheye Metal stocks 304 πηνία σε πάχος 0,3mm έως 16mm και φινίρισμα 2B, φινίρισμα BA, φινίρισμα No.4 είναι πάντα διαθέσιμα.

Εκτός από τα τρία είδη επιφανειών, το πηνίο από ανοξείδωτο χάλυβα 304 μπορεί να παραδοθεί με διάφορα φινιρίσματα επιφανειών.Ο ανοξείδωτος βαθμού 304 περιέχει μέταλλα Cr (συνήθως 18%) και νικέλιο (συνήθως 8%) ως κύρια μη σιδερένια συστατικά.

Αυτός ο τύπος πηνίων είναι ένας τυπικά ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας, ανήκει στην τυπική οικογένεια ανοξείδωτου χάλυβα Cr-Ni.

Συνήθως χρησιμοποιούνται για οικιακά και καταναλωτικά αγαθά, εξοπλισμό κουζίνας, επένδυση εσωτερικών και εξωτερικών χώρων, κιγκλιδώματα και κουφώματα παραθύρων, εξοπλισμό βιομηχανίας τροφίμων και ποτών, δεξαμενές αποθήκευσης.

Σε αυτή τη μελέτη, ο σχεδιασμός των ελατηρίων στρέψης και συμπίεσης του μηχανισμού αναδίπλωσης φτερών που χρησιμοποιείται στον πύραυλο θεωρείται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης.Αφού ο πύραυλος φύγει από τον σωλήνα εκτόξευσης, τα κλειστά φτερά πρέπει να ανοίξουν και να ασφαλιστούν για ορισμένο χρονικό διάστημα.Ο στόχος της μελέτης ήταν να μεγιστοποιηθεί η ενέργεια που αποθηκεύεται στα ελατήρια, ώστε τα φτερά να μπορούν να αναπτυχθούν στο συντομότερο δυνατό χρόνο.Σε αυτή την περίπτωση, η εξίσωση ενέργειας και στις δύο δημοσιεύσεις ορίστηκε ως η αντικειμενική συνάρτηση στη διαδικασία βελτιστοποίησης.Η διάμετρος του σύρματος, η διάμετρος του πηνίου, ο αριθμός των πηνίων και οι παράμετροι εκτροπής που απαιτούνται για το σχεδιασμό του ελατηρίου ορίστηκαν ως μεταβλητές βελτιστοποίησης.Υπάρχουν γεωμετρικά όρια στις μεταβλητές λόγω του μεγέθους του μηχανισμού, καθώς και όρια στον συντελεστή ασφαλείας λόγω του φορτίου που μεταφέρουν τα ελατήρια.Ο αλγόριθμος μέλισσας (BA) χρησιμοποιήθηκε για την επίλυση αυτού του προβλήματος βελτιστοποίησης και την εκτέλεση του σχεδιασμού του ελατηρίου.Οι ενεργειακές τιμές που λαμβάνονται με το BA είναι ανώτερες από εκείνες που προέκυψαν από προηγούμενες μελέτες Σχεδιασμού Πειραμάτων (DOE).Τα ελατήρια και οι μηχανισμοί που σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους που προέκυψαν από τη βελτιστοποίηση αναλύθηκαν για πρώτη φορά στο πρόγραμμα ADAMS.Μετά από αυτό, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές με την ενσωμάτωση των κατασκευασμένων ελατηρίων σε πραγματικούς μηχανισμούς.Ως αποτέλεσμα της δοκιμής, παρατηρήθηκε ότι τα φτερά άνοιξαν μετά από περίπου 90 χιλιοστά του δευτερολέπτου.Αυτή η τιμή είναι πολύ χαμηλότερη από τον στόχο του έργου των 200ms.Επιπλέον, η διαφορά μεταξύ των αναλυτικών και των πειραματικών αποτελεσμάτων είναι μόνο 16 ms.
Στα αεροσκάφη και τα θαλάσσια οχήματα, οι μηχανισμοί αναδίπλωσης είναι κρίσιμοι.Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται σε τροποποιήσεις και μετατροπές αεροσκαφών για τη βελτίωση της απόδοσης και του ελέγχου της πτήσης.Ανάλογα με τη λειτουργία πτήσης, τα φτερά διπλώνουν και ξεδιπλώνονται διαφορετικά για να μειωθεί η αεροδυναμική επίδραση1.Αυτή η κατάσταση μπορεί να συγκριθεί με τις κινήσεις των φτερών ορισμένων πτηνών και εντόμων κατά τη διάρκεια της καθημερινής πτήσης και κατάδυσης.Ομοίως, τα ανεμόπτερα διπλώνουν και ξεδιπλώνονται σε υποβρύχια για να μειώσουν τα υδροδυναμικά φαινόμενα και να μεγιστοποιήσουν το χειρισμό3.Ένας ακόμη σκοπός αυτών των μηχανισμών είναι να παρέχουν ογκομετρικά πλεονεκτήματα σε συστήματα όπως η αναδίπλωση μιας προπέλας ελικοπτέρου 4 για αποθήκευση και μεταφορά.Τα φτερά του πυραύλου διπλώνουν επίσης για να μειωθεί ο αποθηκευτικός χώρος.Έτσι, περισσότεροι πύραυλοι μπορούν να τοποθετηθούν σε μικρότερη περιοχή του εκτοξευτήρα 5. Τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά στην αναδίπλωση και το ξεδίπλωμα είναι συνήθως ελατήρια.Τη στιγμή της αναδίπλωσης, η ενέργεια αποθηκεύεται σε αυτό και απελευθερώνεται τη στιγμή της αναδίπλωσης.Λόγω της εύκαμπτης δομής του, η αποθηκευμένη και η απελευθερωμένη ενέργεια εξισώνονται.Το ελατήριο έχει σχεδιαστεί κυρίως για το σύστημα και αυτός ο σχεδιασμός παρουσιάζει ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης6.Επειδή ενώ περιλαμβάνει διάφορες μεταβλητές όπως διάμετρος σύρματος, διάμετρος πηνίου, αριθμός στροφών, γωνία έλικας και τύπος υλικού, υπάρχουν επίσης κριτήρια όπως μάζα, όγκος, κατανομή ελάχιστης τάσης ή μέγιστη διαθεσιμότητα ενέργειας7.
Αυτή η μελέτη ρίχνει φως στον σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των ελατηρίων για μηχανισμούς αναδίπλωσης φτερών που χρησιμοποιούνται σε πυραυλικά συστήματα.Όντας μέσα στον σωλήνα εκτόξευσης πριν από την πτήση, τα φτερά παραμένουν διπλωμένα στην επιφάνεια του πυραύλου και μετά την έξοδο από τον σωλήνα εκτόξευσης, ξεδιπλώνονται για ορισμένο χρονικό διάστημα και παραμένουν πιεσμένα στην επιφάνεια.Αυτή η διαδικασία είναι κρίσιμη για την καλή λειτουργία του πυραύλου.Στον αναπτυγμένο μηχανισμό αναδίπλωσης, το άνοιγμα των πτερυγίων πραγματοποιείται με ελατήρια στρέψης και το κλείδωμα με ελατήρια συμπίεσης.Για να σχεδιαστεί ένα κατάλληλο ελατήριο, πρέπει να πραγματοποιηθεί μια διαδικασία βελτιστοποίησης.Στο πλαίσιο της βελτιστοποίησης ελατηρίου, υπάρχουν διάφορες εφαρμογές στη βιβλιογραφία.
Οι Paredes et al.8 όρισαν τον μέγιστο συντελεστή ζωής κόπωσης ως αντικειμενική συνάρτηση για το σχεδιασμό των ελικοειδών ελατηρίων και χρησιμοποίησαν την οιονεί Νευτώνεια μέθοδο ως μέθοδο βελτιστοποίησης.Οι μεταβλητές στη βελτιστοποίηση προσδιορίστηκαν ως διάμετρος σύρματος, διάμετρος πηνίου, αριθμός στροφών και μήκος ελατηρίου.Μια άλλη παράμετρος της δομής του ελατηρίου είναι το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται.Ως εκ τούτου, αυτό ελήφθη υπόψη στις μελέτες σχεδιασμού και βελτιστοποίησης.Οι Zebdi et al.9 έθεσαν στόχους μέγιστης ακαμψίας και ελάχιστου βάρους στην αντικειμενική συνάρτηση στη μελέτη τους, όπου ο παράγοντας βάρους ήταν σημαντικός.Σε αυτή την περίπτωση, όρισαν το υλικό του ελατηρίου και τις γεωμετρικές ιδιότητες ως μεταβλητές.Χρησιμοποιούν έναν γενετικό αλγόριθμο ως μέθοδο βελτιστοποίησης.Στην αυτοκινητοβιομηχανία, το βάρος των υλικών είναι χρήσιμο με πολλούς τρόπους, από την απόδοση του οχήματος μέχρι την κατανάλωση καυσίμου.Η ελαχιστοποίηση βάρους κατά τη βελτιστοποίηση των σπειροειδών ελατηρίων για ανάρτηση είναι μια πολύ γνωστή μελέτη10.Οι Bahshesh και Bahshesh11 προσδιόρισαν υλικά όπως το E-glass, το carbon και το Kevlar ως μεταβλητές στην εργασία τους στο περιβάλλον ANSYS με στόχο την επίτευξη ελάχιστου βάρους και μέγιστης αντοχής σε εφελκυσμό σε διάφορα σχέδια σύνθετων ελατηρίων ανάρτησης.Η διαδικασία κατασκευής είναι κρίσιμη για την ανάπτυξη σύνθετων ελατηρίων.Έτσι, διάφορες μεταβλητές μπαίνουν στο παιχνίδι σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, όπως η μέθοδος παραγωγής, τα βήματα που λαμβάνονται στη διαδικασία και η ακολουθία αυτών των βημάτων12,13.Κατά το σχεδιασμό ελατηρίων για δυναμικά συστήματα, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι φυσικές συχνότητες του συστήματος.Συνιστάται η πρώτη φυσική συχνότητα του ελατηρίου να είναι τουλάχιστον 5-10 φορές η φυσική συχνότητα του συστήματος για αποφυγή συντονισμού14.Taktak et al.7 αποφάσισε να ελαχιστοποιήσει τη μάζα του ελατηρίου και να μεγιστοποιήσει την πρώτη φυσική συχνότητα ως αντικειμενικές συναρτήσεις στο σχεδιασμό του σπειροειδούς ελατηρίου.Χρησιμοποίησαν μεθόδους αναζήτησης μοτίβων, εσωτερικού σημείου, ενεργού συνόλου και γενετικού αλγορίθμου στο εργαλείο βελτιστοποίησης Matlab.Η αναλυτική έρευνα αποτελεί μέρος της έρευνας σχεδιασμού ελατηρίων και η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων είναι δημοφιλής σε αυτόν τον τομέα15.Οι Patil et al.16 ανέπτυξαν μια μέθοδο βελτιστοποίησης για τη μείωση του βάρους ενός ελικοειδούς ελατηρίου συμπίεσης χρησιμοποιώντας μια αναλυτική διαδικασία και δοκίμασαν τις αναλυτικές εξισώσεις χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων.Ένα άλλο κριτήριο για την αύξηση της χρησιμότητας ενός ελατηρίου είναι η αύξηση της ενέργειας που μπορεί να αποθηκεύσει.Αυτή η θήκη διασφαλίζει επίσης ότι το ελατήριο διατηρεί τη χρησιμότητά του για μεγάλο χρονικό διάστημα.Rahul και Rameshkumar17 Επιδιώκουν να μειώσουν τον όγκο του ελατηρίου και να αυξήσουν την ενέργεια καταπόνησης σε σχέδια σπειροειδών ελατηρίων αυτοκινήτου.Έχουν επίσης χρησιμοποιήσει γενετικούς αλγόριθμους στην έρευνα βελτιστοποίησης.
Όπως φαίνεται, οι παράμετροι στη μελέτη βελτιστοποίησης διαφέρουν από σύστημα σε σύστημα.Γενικά, οι παράμετροι ακαμψίας και διατμητικής τάσης είναι σημαντικές σε ένα σύστημα όπου το φορτίο που μεταφέρει είναι ο καθοριστικός παράγοντας.Η επιλογή υλικού περιλαμβάνεται στο σύστημα ορίου βάρους με αυτές τις δύο παραμέτρους.Από την άλλη πλευρά, οι φυσικές συχνότητες ελέγχονται για την αποφυγή συντονισμών σε εξαιρετικά δυναμικά συστήματα.Σε συστήματα όπου η χρησιμότητα έχει σημασία, η ενέργεια μεγιστοποιείται.Σε μελέτες βελτιστοποίησης, αν και το FEM χρησιμοποιείται για αναλυτικές μελέτες, μπορεί να φανεί ότι μεταευρετικοί αλγόριθμοι όπως ο γενετικός αλγόριθμος14,18 και ο αλγόριθμος του γκρίζου λύκου19 χρησιμοποιούνται μαζί με την κλασική μέθοδο Newton εντός μιας σειράς ορισμένων παραμέτρων.Μεταευρετικοί αλγόριθμοι έχουν αναπτυχθεί με βάση φυσικές μεθόδους προσαρμογής που προσεγγίζουν τη βέλτιστη κατάσταση σε σύντομο χρονικό διάστημα, ιδιαίτερα υπό την επίδραση του πληθυσμού20,21.Με μια τυχαία κατανομή του πληθυσμού στην περιοχή αναζήτησης, αποφεύγουν τα τοπικά βέλτιστα και κινούνται προς το παγκόσμιο optima22.Έτσι, τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται συχνά στο πλαίσιο πραγματικών βιομηχανικών προβλημάτων23,24.
Η κρίσιμη περίπτωση για τον μηχανισμό αναδίπλωσης που αναπτύχθηκε σε αυτή τη μελέτη είναι ότι τα φτερά, που ήταν στην κλειστή θέση πριν από την πτήση, ανοίγουν ένα ορισμένο χρονικό διάστημα μετά την έξοδο από τον σωλήνα.Μετά από αυτό, το στοιχείο ασφάλισης μπλοκάρει το φτερό.Επομένως, τα ελατήρια δεν επηρεάζουν άμεσα τη δυναμική πτήσης.Σε αυτή την περίπτωση, ο στόχος της βελτιστοποίησης ήταν να μεγιστοποιηθεί η αποθηκευμένη ενέργεια για να επιταχυνθεί η κίνηση του ελατηρίου.Η διάμετρος του ρολού, η διάμετρος του σύρματος, ο αριθμός των κυλίνδρων και η παραμόρφωση ορίστηκαν ως παράμετροι βελτιστοποίησης.Λόγω του μικρού μεγέθους του ελατηρίου, το βάρος δεν θεωρήθηκε στόχος.Επομένως, ο τύπος υλικού ορίζεται ως σταθερός.Το περιθώριο ασφαλείας για μηχανικές παραμορφώσεις προσδιορίζεται ως κρίσιμος περιορισμός.Επιπλέον, οι περιορισμοί μεταβλητού μεγέθους εμπλέκονται στο πεδίο εφαρμογής του μηχανισμού.Ως μέθοδος βελτιστοποίησης επιλέχθηκε η μεταευρετική μέθοδος ΒΑ.Η BA ευνοήθηκε για την ευέλικτη και απλή δομή της και για τις προόδους της στην έρευνα μηχανικής βελτιστοποίησης25.Στο δεύτερο μέρος της μελέτης περιλαμβάνονται αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις στο πλαίσιο της βασικής σχεδίασης και σχεδίασης ελατηρίου του μηχανισμού αναδίπλωσης.Το τρίτο μέρος περιέχει τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης και τα αποτελέσματα βελτιστοποίησης.Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται ανάλυση στο πρόγραμμα ADAMS.Η καταλληλότητα των ελατηρίων αναλύεται πριν από την παραγωγή.Η τελευταία ενότητα περιέχει πειραματικά αποτελέσματα και εικόνες δοκιμής.Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν στη μελέτη συγκρίθηκαν επίσης με την προηγούμενη εργασία των συγγραφέων χρησιμοποιώντας την προσέγγιση DOE.
Τα φτερά που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη θα πρέπει να διπλωθούν προς την επιφάνεια του πυραύλου.Τα φτερά περιστρέφονται από διπλωμένη σε ξεδιπλωμένη θέση.Για αυτό, αναπτύχθηκε ένας ειδικός μηχανισμός.Στο σχ.1 δείχνει τη διαμόρφωση διπλωμένης και ξεδιπλωμένης5 στο σύστημα συντεταγμένων πυραύλων.
Στο σχ.Το σχήμα 2 δείχνει μια τομή του μηχανισμού.Ο μηχανισμός αποτελείται από πολλά μηχανικά μέρη: (1) κύριο σώμα, (2) άξονα φτερού, (3) έδρανο, (4) σώμα κλειδαριάς, (5) δακτύλιο ασφάλισης, (6) πείρος αναστολής, (7) ελατήριο στρέψης και ( 8) ελατήρια συμπίεσης.Ο άξονας πτερυγίου (2) συνδέεται με το ελατήριο στρέψης (7) μέσω του χιτωνίου ασφάλισης (4).Και τα τρία μέρη περιστρέφονται ταυτόχρονα μετά την απογείωση του πύραυλου.Με αυτή την περιστροφική κίνηση, τα φτερά στρέφονται στην τελική τους θέση.Μετά από αυτό, ο πείρος (6) ενεργοποιείται από το ελατήριο συμπίεσης (8), μπλοκάροντας έτσι ολόκληρο τον μηχανισμό του σώματος ασφάλισης (4)5.
Ο συντελεστής ελαστικότητας (E) και ο συντελεστής διάτμησης (G) είναι βασικές παράμετροι σχεδιασμού του ελατηρίου.Σε αυτή τη μελέτη, επιλέχθηκε ως υλικό ελατηρίου χάλυβα ελατηρίου υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (Music wire ASTM A228).Άλλες παράμετροι είναι η διάμετρος του σύρματος (d), η μέση διάμετρος του πηνίου (Dm), ο αριθμός των πηνίων (N) και η εκτροπή του ελατηρίου (xd για τα ελατήρια συμπίεσης και το θ για τα ελατήρια στρέψης)26.Η αποθηκευμένη ενέργεια για τα ελατήρια συμπίεσης \({(SE}_{x})\) και τα ελατήρια στρέψης (\({SE}_{\theta}\)) μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση.(1) και (2)26.(Η τιμή του συντελεστή διάτμησης (G) για το ελατήριο συμπίεσης είναι 83,7E9 Pa και η τιμή του συντελεστή ελαστικότητας (E) για το ελατήριο στρέψης είναι 203,4E9 Pa.)
Οι μηχανικές διαστάσεις του συστήματος καθορίζουν άμεσα τους γεωμετρικούς περιορισμούς του ελατηρίου.Επιπλέον, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι συνθήκες στις οποίες θα βρίσκεται ο πύραυλος.Αυτοί οι παράγοντες καθορίζουν τα όρια των παραμέτρων του ελατηρίου.Ένας άλλος σημαντικός περιορισμός είναι ο παράγοντας ασφάλειας.Ο ορισμός του παράγοντα ασφάλειας περιγράφεται λεπτομερώς από τους Shigley et al.26.Ο συντελεστής ασφάλειας ελατηρίου συμπίεσης (SFC) ορίζεται ως η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση διαιρούμενη με την τάση στο συνεχές μήκος.Το SFC μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας εξισώσεις.(3), (4), (5) και (6)26.(Για το υλικό ελατηρίου που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη, \({S}_{sy}=980 MPa\)).Το F αντιπροσωπεύει τη δύναμη στην εξίσωση και το KB αντιπροσωπεύει τον παράγοντα Bergstrasser 26.
Ο συντελεστής ασφάλειας στρέψης ενός ελατηρίου (SFT) ορίζεται ως M διαιρούμενο με k.Το SFT μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση.(7), (8), (9) και (10)26.(Για το υλικό που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη, \({S}_{y}=1600 \mathrm{MPa}\)).Στην εξίσωση, το M χρησιμοποιείται για τη ροπή, το \({k}^{^{\prime}}\) χρησιμοποιείται για τη σταθερά του ελατηρίου (ροπή/περιστροφή) και το Ki χρησιμοποιείται για τον συντελεστή διόρθωσης τάσης.
Ο κύριος στόχος βελτιστοποίησης σε αυτή τη μελέτη είναι η μεγιστοποίηση της ενέργειας του ελατηρίου.Η αντικειμενική συνάρτηση έχει διαμορφωθεί για να βρει το \(\overrightarrow{\{X\}}\) που μεγιστοποιεί το \(f(X)\).\({f}_{1}(X)\) και \({f}_{2}(X)\) είναι οι ενεργειακές συναρτήσεις του ελατηρίου συμπίεσης και στρέψης, αντίστοιχα.Οι υπολογισμένες μεταβλητές και οι συναρτήσεις που χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση φαίνονται στις ακόλουθες εξισώσεις.
Οι διάφοροι περιορισμοί που τίθενται στη σχεδίαση του ελατηρίου δίνονται στις ακόλουθες εξισώσεις.Οι εξισώσεις (15) και (16) αντιπροσωπεύουν τους συντελεστές ασφαλείας για τα ελατήρια συμπίεσης και στρέψης, αντίστοιχα.Σε αυτή τη μελέτη, το SFC πρέπει να είναι μεγαλύτερο ή ίσο με 1,2 και το SFT πρέπει να είναι μεγαλύτερο ή ίσο με θ26.
Η BA εμπνεύστηκε από τις στρατηγικές αναζήτησης γύρης των μελισσών27.Οι μέλισσες επιδιώκουν στέλνοντας περισσότερους τροφοσυλλέκτες σε γόνιμα γήπεδα γύρης και λιγότερους τροφοσυλλέκτες σε λιγότερο γόνιμα γηροκομεία.Έτσι, επιτυγχάνεται η μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα από τον πληθυσμό των μελισσών.Από την άλλη πλευρά, οι ανιχνευτές μέλισσες συνεχίζουν να αναζητούν νέες περιοχές γύρης και εάν υπάρχουν πιο παραγωγικές περιοχές από πριν, πολλοί τροφοσυλλέκτες θα κατευθυνθούν στη νέα αυτή περιοχή28.Το BA αποτελείται από δύο μέρη: τοπική αναζήτηση και καθολική αναζήτηση.Μια τοπική αναζήτηση αναζητά περισσότερες κοινότητες κοντά στο ελάχιστο (ιστοτόποι ελίτ), όπως μέλισσες, και λιγότερες σε άλλους ιστότοπους (βέλτιστους ή επιλεγμένους ιστότοπους).Εκτελείται αυθαίρετη αναζήτηση στο τμήμα καθολικής αναζήτησης και εάν βρεθούν καλές τιμές, οι σταθμοί μετακινούνται στο τμήμα τοπικής αναζήτησης στην επόμενη επανάληψη.Ο αλγόριθμος περιέχει ορισμένες παραμέτρους: τον αριθμό των ανιχνευτών μελισσών (n), τον αριθμό των τοπικών τοποθεσιών αναζήτησης (m), τον αριθμό των ελίτ τοποθεσιών (e), τον αριθμό των τροφοσυλλεκτών σε τοποθεσίες ελίτ (nep), τον αριθμό των τροφοσυλλεκτών σε βέλτιστες περιοχές.Τοποθεσία (nsp), μέγεθος γειτονιάς (ngh) και αριθμός επαναλήψεων (I)29.Ο ψευδοκώδικας BA φαίνεται στο Σχήμα 3.
Ο αλγόριθμος προσπαθεί να λειτουργήσει μεταξύ \({g}_{1}(X)\) και \({g}_{2}(X)\).Ως αποτέλεσμα κάθε επανάληψης, καθορίζονται οι βέλτιστες τιμές και συγκεντρώνεται ένας πληθυσμός γύρω από αυτές τις τιμές σε μια προσπάθεια να ληφθούν οι καλύτερες τιμές.Οι περιορισμοί ελέγχονται στις ενότητες τοπικής και καθολικής αναζήτησης.Σε μια τοπική αναζήτηση, εάν αυτοί οι παράγοντες είναι κατάλληλοι, υπολογίζεται η ενεργειακή τιμή.Εάν η νέα τιμή ενέργειας είναι μεγαλύτερη από τη βέλτιστη τιμή, αντιστοιχίστε τη νέα τιμή στη βέλτιστη τιμή.Εάν η καλύτερη τιμή που βρέθηκε στο αποτέλεσμα αναζήτησης είναι μεγαλύτερη από το τρέχον στοιχείο, το νέο στοιχείο θα συμπεριληφθεί στη συλλογή.Το μπλοκ διάγραμμα της τοπικής αναζήτησης φαίνεται στο Σχήμα 4.
Ο πληθυσμός είναι μια από τις βασικές παραμέτρους στο BA.Μπορεί να φανεί από προηγούμενες μελέτες ότι η επέκταση του πληθυσμού μειώνει τον αριθμό των επαναλήψεων που απαιτούνται και αυξάνει την πιθανότητα επιτυχίας.Ωστόσο, ο αριθμός των λειτουργικών αξιολογήσεων αυξάνεται επίσης.Η παρουσία μεγάλου αριθμού ελίτ τοποθεσιών δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση.Ο αριθμός των ελίτ τοποθεσιών μπορεί να είναι χαμηλός εάν δεν είναι μηδέν30.Το μέγεθος του πληθυσμού των ανιχνευτών μελισσών (n) επιλέγεται συνήθως μεταξύ 30 και 100. Σε αυτή τη μελέτη, εκτελέστηκαν και τα δύο σενάρια 30 και 50 για να προσδιοριστεί ο κατάλληλος αριθμός (Πίνακας 2).Άλλες παράμετροι καθορίζονται ανάλογα με τον πληθυσμό.Ο αριθμός των επιλεγμένων τοποθεσιών (m) είναι (περίπου) 25% του μεγέθους του πληθυσμού και ο αριθμός των ελίτ τοποθεσιών (e) μεταξύ των επιλεγμένων τοποθεσιών είναι 25% των m.Ο αριθμός των μελισσών που ταΐζουν (αριθμός αναζητήσεων) επιλέχθηκε να είναι 100 για ελίτ αγροτεμάχια και 30 για άλλα τοπικά αγροτεμάχια.Η αναζήτηση γειτονιάς είναι η βασική έννοια όλων των εξελικτικών αλγορίθμων.Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος κωνικών γειτόνων.Αυτή η μέθοδος μειώνει το μέγεθος της γειτονιάς με συγκεκριμένο ρυθμό κατά τη διάρκεια κάθε επανάληψης.Σε μελλοντικές επαναλήψεις, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρότερες τιμές γειτονιάς30 για πιο ακριβή αναζήτηση.
Για κάθε σενάριο, πραγματοποιήθηκαν δέκα διαδοχικές δοκιμές για να ελεγχθεί η αναπαραγωγιμότητα του αλγορίθμου βελτιστοποίησης.Στο σχ.Το 5 δείχνει τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης του ελατηρίου στρέψης για το σχήμα 1, και στο σχ.6 – για το σχήμα 2. Τα δεδομένα δοκιμής δίδονται επίσης στους πίνακες 3 και 4 (ένας πίνακας που περιέχει τα αποτελέσματα που ελήφθησαν για το ελατήριο συμπίεσης βρίσκεται στη Συμπληρωματική πληροφορία S1).Ο πληθυσμός των μελισσών εντείνει την αναζήτηση καλών αξιών στην πρώτη επανάληψη.Στο σενάριο 1, τα αποτελέσματα ορισμένων δοκιμών ήταν κάτω από το μέγιστο.Στο Σενάριο 2, μπορεί να φανεί ότι όλα τα αποτελέσματα βελτιστοποίησης πλησιάζουν το μέγιστο λόγω της αύξησης του πληθυσμού και άλλων σχετικών παραμέτρων.Μπορεί να φανεί ότι οι τιμές στο Σενάριο 2 είναι επαρκείς για τον αλγόριθμο.
Κατά τη λήψη της μέγιστης τιμής ενέργειας σε επαναλήψεις, παρέχεται επίσης ένας παράγοντας ασφάλειας ως περιορισμός για τη μελέτη.Δείτε τον πίνακα για τον παράγοντα ασφαλείας.Οι ενεργειακές τιμές που λαμβάνονται με τη χρήση BA συγκρίνονται με αυτές που λαμβάνονται με τη μέθοδο 5 DOE στον Πίνακα 5. (Για ευκολία κατασκευής, ο αριθμός στροφών (N) του ελατηρίου στρέψης είναι 4,9 αντί για 4,88 και η απόκλιση (xd ) είναι 8 mm αντί για 7,99 mm στο ελατήριο συμπίεσης.) Μπορεί να φανεί ότι το BA είναι καλύτερο Αποτέλεσμα.Η BA αξιολογεί όλες τις τιμές μέσω τοπικών και καθολικών αναζητήσεων.Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να δοκιμάσει περισσότερες εναλλακτικές πιο γρήγορα.
Σε αυτή τη μελέτη, ο Adams χρησιμοποιήθηκε για να αναλύσει την κίνηση του μηχανισμού φτερών.Στον Adams δίνεται αρχικά ένα τρισδιάστατο μοντέλο του μηχανισμού.Στη συνέχεια, ορίστε ένα ελατήριο με τις παραμέτρους που επιλέχθηκαν στην προηγούμενη ενότητα.Επιπλέον, ορισμένες άλλες παράμετροι πρέπει να καθοριστούν για την πραγματική ανάλυση.Αυτές είναι φυσικές παράμετροι όπως συνδέσεις, ιδιότητες υλικού, επαφή, τριβή και βαρύτητα.Υπάρχει ένας περιστρεφόμενος σύνδεσμος μεταξύ του άξονα της λεπίδας και του ρουλεμάν.Υπάρχουν 5-6 κυλινδρικοί σύνδεσμοι.Υπάρχουν 5-1 σταθερές αρθρώσεις.Το κύριο σώμα είναι κατασκευασμένο από υλικό αλουμινίου και σταθερό.Το υλικό των υπόλοιπων εξαρτημάτων είναι χάλυβας.Επιλέξτε τον συντελεστή τριβής, την ακαμψία επαφής και το βάθος διείσδυσης της επιφάνειας τριβής ανάλογα με τον τύπο του υλικού.(ανοξείδωτο AISI 304) Σε αυτή τη μελέτη, η κρίσιμη παράμετρος είναι ο χρόνος ανοίγματος του μηχανισμού πτερυγίων, ο οποίος πρέπει να είναι μικρότερος από 200 ms.Επομένως, προσέχετε τον χρόνο ανοίγματος της πτέρυγας κατά τη διάρκεια της ανάλυσης.
Ως αποτέλεσμα της ανάλυσης του Adams, ο χρόνος ανοίγματος του μηχανισμού πτερυγίων είναι 74 χιλιοστά του δευτερολέπτου.Τα αποτελέσματα της δυναμικής προσομοίωσης από το 1 έως το 4 φαίνονται στο Σχήμα 7. Η πρώτη εικόνα στο Σχήμα.5 είναι ο χρόνος έναρξης της προσομοίωσης και τα φτερά βρίσκονται σε θέση αναμονής για αναδίπλωση.(2) Εμφανίζει τη θέση του πτερυγίου μετά από 40 ms όταν το φτερό έχει περιστραφεί 43 μοίρες.(3) δείχνει τη θέση του φτερού μετά από 71 χιλιοστά του δευτερολέπτου.Επίσης στην τελευταία εικόνα (4) φαίνεται το τέλος της στροφής του φτερού και η ανοιχτή θέση.Ως αποτέλεσμα δυναμικής ανάλυσης, παρατηρήθηκε ότι ο μηχανισμός ανοίγματος πτερυγίων είναι σημαντικά μικρότερος από την τιμή στόχο των 200 ms.Επιπλέον, κατά τον καθορισμό του μεγέθους των ελατηρίων, τα όρια ασφαλείας επιλέχθηκαν από τις υψηλότερες τιμές που συνιστώνται στη βιβλιογραφία.
Μετά την ολοκλήρωση όλων των μελετών σχεδιασμού, βελτιστοποίησης και προσομοίωσης, κατασκευάστηκε και ενσωματώθηκε ένα πρωτότυπο του μηχανισμού.Στη συνέχεια, το πρωτότυπο δοκιμάστηκε για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης.Πρώτα στερεώστε το κύριο κέλυφος και διπλώστε τα φτερά.Στη συνέχεια τα φτερά απελευθερώθηκαν από την αναδιπλωμένη θέση και έγινε βίντεο με την περιστροφή των φτερών από τη διπλωμένη θέση στην αναπτυγμένη θέση.Το χρονόμετρο χρησιμοποιήθηκε επίσης για την ανάλυση του χρόνου κατά την εγγραφή βίντεο.
Στο σχ.8 δείχνει καρέ βίντεο με αριθμό 1-4.Το πλαίσιο αριθμός 1 στο σχήμα δείχνει τη στιγμή απελευθέρωσης των διπλωμένων φτερών.Αυτή η στιγμή θεωρείται η αρχική στιγμή του χρόνου t0.Τα πλαίσια 2 και 3 δείχνουν τις θέσεις των φτερών 40 ms και 70 ms μετά την αρχική στιγμή.Κατά την ανάλυση των πλαισίων 3 και 4, μπορεί να φανεί ότι η κίνηση του πτερυγίου σταθεροποιείται 90 ms μετά το t0 και το άνοιγμα του πτερυγίου ολοκληρώνεται μεταξύ 70 και 90 ms.Αυτή η κατάσταση σημαίνει ότι τόσο η προσομοίωση όσο και η δοκιμή πρωτοτύπων δίνουν περίπου τον ίδιο χρόνο ανάπτυξης πτερυγίων και ο σχεδιασμός πληροί τις απαιτήσεις απόδοσης του μηχανισμού.
Σε αυτό το άρθρο, τα ελατήρια στρέψης και συμπίεσης που χρησιμοποιούνται στον μηχανισμό αναδίπλωσης φτερών βελτιστοποιούνται με χρήση BA.Οι παράμετροι μπορούν να προσεγγιστούν γρήγορα με λίγες επαναλήψεις.Το ελατήριο στρέψης είναι βαθμολογημένο στα 1075 mJ και το ελατήριο συμπίεσης είναι ονομαστική στα 37,24 mJ.Αυτές οι τιμές είναι 40-50% καλύτερες από προηγούμενες μελέτες DOE.Το ελατήριο είναι ενσωματωμένο στον μηχανισμό και αναλύεται στο πρόγραμμα ADAMS.Όταν αναλύθηκε, διαπιστώθηκε ότι τα φτερά άνοιξαν μέσα σε 74 χιλιοστά του δευτερολέπτου.Αυτή η τιμή είναι πολύ κάτω από τον στόχο του έργου των 200 χιλιοστών του δευτερολέπτου.Σε μια μεταγενέστερη πειραματική μελέτη, ο χρόνος ενεργοποίησης μετρήθηκε σε περίπου 90 ms.Αυτή η διαφορά των 16 χιλιοστών του δευτερολέπτου μεταξύ των αναλύσεων μπορεί να οφείλεται σε περιβαλλοντικούς παράγοντες που δεν έχουν μοντελοποιηθεί στο λογισμικό.Πιστεύεται ότι ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης που προέκυψε ως αποτέλεσμα της μελέτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορα σχέδια ελατηρίων.
Το υλικό του ελατηρίου ήταν προκαθορισμένο και δεν χρησιμοποιήθηκε ως μεταβλητή στη βελτιστοποίηση.Δεδομένου ότι πολλοί διαφορετικοί τύποι ελατηρίων χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη και πυραύλους, το BA θα εφαρμοστεί για τον σχεδιασμό άλλων τύπων ελατηρίων χρησιμοποιώντας διαφορετικά υλικά για την επίτευξη βέλτιστου σχεδιασμού ελατηρίων σε μελλοντική έρευνα.
Δηλώνουμε ότι αυτό το χειρόγραφο είναι πρωτότυπο, δεν έχει δημοσιευτεί στο παρελθόν και δεν εξετάζεται επί του παρόντος για δημοσίευση αλλού.
Όλα τα δεδομένα που δημιουργούνται ή αναλύονται σε αυτήν τη μελέτη περιλαμβάνονται σε αυτό το δημοσιευμένο άρθρο [και αρχείο πρόσθετων πληροφοριών].
Min, Z., Kin, VK and Richard, LJ Aircraft Εκσυγχρονισμός της ιδέας της αεροτομής μέσω ριζικών γεωμετρικών αλλαγών.IES J. Μέρος Α Πολιτισμός.χημική ένωση.έργο.3(3), 188–195 (2010).
Sun, J., Liu, K. and Bhushan, B. Μια επισκόπηση του πίσω πτερυγίου του σκαθαριού: δομή, μηχανικές ιδιότητες, μηχανισμοί και βιολογική έμπνευση.J. Mecha.Η ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ.Βιοιατρική επιστήμη.alma mater.94, 63–73 (2019).
Chen, Z., Yu, J., Zhang, A., and Zhang, F. Σχεδιασμός και ανάλυση ενός αναδιπλούμενου μηχανισμού πρόωσης για ένα υβριδικό υποβρύχιο ανεμόπτερο.Ocean Engineering 119, 125–134 (2016).
Kartik, HS and Prithvi, K. Design and Analysis of a Helicopter Horizontal Stabilizer Folding Mechanism.εσωτερική J. Ing.δεξαμενή αποθήκευσης.τεχνολογίες.(IGERT) 9(05), 110–113 (2020).
Kulunk, Z. and Sahin, M. Βελτιστοποίηση των μηχανικών παραμέτρων ενός σχεδίου πτυσσόμενου πτερυγίου πυραύλου χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση σχεδιασμού πειράματος.εσωτερικό J. Model.βελτιστοποίηση.9(2), 108–112 (2019).
Ke, J., Wu, ZY, Liu, YS, Xiang, Z. & Hu, XD Design Method, Performance Study, and Manufacturing Process of Composite Coil Springs: A Review.συνθέτω.χημική ένωση.252, 112747 (2020).
Taktak M., Omheni K., Alui A., Dammak F. and Khaddar M. Δυναμική βελτιστοποίηση σχεδίασης σπειροειδών ελατηρίων.Κάντε αίτηση για ήχο.77, 178–183 (2014).
Paredes, M., Sartor, M., and Mascle, K. Μια διαδικασία για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των ελατηρίων τάσης.υπολογιστή.εφαρμογή της μεθόδου.γούνα.έργο.191(8-10), 783-797 (2001).
Zebdi O., Bouhili R. and Trochu F. Βέλτιστος σχεδιασμός σύνθετων ελικοειδών ελατηρίων με χρήση βελτιστοποίησης πολλαπλών αντικειμένων.J. Reinf.πλαστική ύλη.συνθέτω.28 (14), 1713–1732 (2009).
Pawart, HB και Desale, DD Βελτιστοποίηση τρίκυκλων μπροστινών σπειροειδών ελατηρίων ανάρτησης.επεξεργάζομαι, διαδικασία.κατασκευαστής.20, 428–433 (2018).
Bahshesh M. και Bahshesh M. Βελτιστοποίηση χαλύβδινων σπειροειδών ελατηρίων με σύνθετα ελατήρια.εσωτερική J. Πολυθεματική.η επιστήμη.έργο.3(6), 47–51 (2012).
Chen, L. et αϊ.Μάθετε για τις πολλαπλές παραμέτρους που επηρεάζουν τη στατική και δυναμική απόδοση των σύνθετων σπειροειδών ελατηρίων.J. Market.δεξαμενή αποθήκευσης.20, 532–550 (2022).
Frank, J. Analysis and Optimization of Composite Helical Springs, PhD Thesis, Sacramento State University (2020).
Gu, Z., Hou, X. and Ye, J. Μέθοδοι σχεδιασμού και ανάλυσης μη γραμμικών ελικοειδών ελατηρίων με χρήση συνδυασμού μεθόδων: ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων, περιορισμένη δειγματοληψία με λατινικούς υπερκύβους και γενετικός προγραμματισμός.επεξεργάζομαι, διαδικασία.Ινστιτούτο Γούνας.έργο.CJ Mecha.έργο.η επιστήμη.235(22), 5917–5930 (2021).
Wu, L., et αϊ.Ρυθμιζόμενος ρυθμός ελατηρίου Ελατήρια πολλαπλών κλώνων από ανθρακόνημα: Μελέτη σχεδίασης και μηχανισμού.J. Market.δεξαμενή αποθήκευσης.9(3), 5067–5076 (2020).
Patil DS, Mangrulkar KS και Jagtap ST Βελτιστοποίηση βάρους ελικοειδών ελατηρίων συμπίεσης.εσωτερική J. Innov.δεξαμενή αποθήκευσης.Πολυθεματική.2(11), 154–164 (2016).
Rahul, MS and Rameshkumar, K. Βελτιστοποίηση πολλαπλών χρήσεων και αριθμητική προσομοίωση σπειροειδών ελατηρίων για εφαρμογές αυτοκινήτων.alma mater.διαδικασία σήμερα.46, 4847–4853 (2021).
Bai, JB et αϊ.Καθορισμός Βέλτιστης Πρακτικής – Βέλτιστος Σχεδιασμός Σύνθετων Ελικοειδών Κατασκευών με χρήση Γενετικών Αλγορίθμων.συνθέτω.χημική ένωση.268, 113982 (2021).
Shahin, I., Dorterler, M., and Gokche, H. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο βελτιστοποίησης 灰狼 που βασίζεται στη βελτιστοποίηση του ελάχιστου όγκου του σχεδιασμού του ελατηρίου συμπίεσης, Ghazi J. Engineering Science, 3(2), 21–27 ( 2017).
Aye, KM, Foldy, N., Yildiz, AR, Burirat, S. και Sait, SM Metaheuristics που χρησιμοποιούν πολλαπλούς πράκτορες για τη βελτιστοποίηση των σφαλμάτων.εσωτερικό J. Veh.Δεκ.80 (2–4), 223–240 (2019).
Yildyz, AR and Erdash, MU Νέος υβριδικός αλγόριθμος βελτιστοποίησης ομάδας Taguchi-salpa για αξιόπιστο σχεδιασμό πραγματικών προβλημάτων μηχανικής.alma mater.δοκιμή.63(2), 157–162 (2021).
Yildiz BS, Foldi N., Burerat S., Yildiz AR και Sait SM Αξιόπιστη σχεδίαση μηχανισμών ρομποτικής αρπάγης χρησιμοποιώντας έναν νέο αλγόριθμο βελτιστοποίησης υβριδικής ακρίδας.ειδικός.Σύστημα.38(3), e12666 (2021).