MATLAB軟件在礦用液壓缸優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

南北彤

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

0 引言

MATLAB 是“Matrix Laboratory”2 個單詞前3 個字母的組合，意為“矩陣實驗室”，是一個包含眾多科學(xué)、工程計算的龐大系統(tǒng)。

MATLAB 語言的產(chǎn)生與數(shù)學(xué)計算緊密聯(lián)系在一起。1980 年，美國新墨西哥州大學(xué)計算機系主任Cleve Moler為了減少學(xué)生在高級語言編程上花費的時間而編寫了該程序，隨后成立了軟件開發(fā)公司，從1984 年推出商業(yè)版本以來，經(jīng)過30 余年的補充與完善以及不斷升級換代，軟件的功能已非常之強大，成為國際上最流行的科學(xué)計算與工程計算軟件工具之一，被稱為“第四代”計算機語言。

MATLAB 以其友好的工作平臺和編程環(huán)境，簡單易用的編程語言，應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱、強大的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理能力等優(yōu)點，在研究單位和工程界也成為工程師們必須掌握的一種工具，是公認的進行高效研究與開發(fā)的首選軟件工具[1]。

在機械設(shè)計工作過程中，常常遇到優(yōu)化問題，傳統(tǒng)設(shè)計方法常在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，參照同類產(chǎn)品，通過估算、經(jīng)驗類比或試驗來確定初始設(shè)計方案，如不能滿足指標要求，則反復(fù)進行“分析計算——性能檢驗——參數(shù)修改”的循環(huán)過程，直到滿足設(shè)計指標要求為止。整個傳統(tǒng)設(shè)計過程就是人工湊試和定性分析比較的過程，是被動地重復(fù)分析產(chǎn)品性能，不是主動地設(shè)計產(chǎn)品參數(shù)。按照傳統(tǒng)設(shè)計方法做出的設(shè)計方案，有改進余地，但不是最佳設(shè)計方案。目前較為先進的做法還可以用三維繪圖軟件模擬、估算。繪圖軟件并不能完全解決很多實際問題，且一般必須從繪圖開始，再利用繪圖軟件內(nèi)置插件進行計算，然后再回到繪圖，工作量大，還容易造成設(shè)計的裕度過大而增加生產(chǎn)成本。

而現(xiàn)代化的機械產(chǎn)品參數(shù)設(shè)計工作可以借助專門的計算軟件，應(yīng)用精確度較高的力學(xué)數(shù)值分析方法，進行優(yōu)化分析計算，找到最優(yōu)設(shè)計方案，實現(xiàn)理論設(shè)計代替經(jīng)驗設(shè)計，用精確計算代替近似計算，用優(yōu)化設(shè)計代替一般的安全壽命可行性設(shè)計。

1 優(yōu)化設(shè)計問題數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 液壓缸優(yōu)化設(shè)計問題的提出

液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一，是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)往復(fù)直線運動的能量轉(zhuǎn)換裝置，也是液壓系統(tǒng)中應(yīng)用最多的執(zhí)行元件。礦用液壓支架中，立柱可以說是最重要的液壓執(zhí)行元件，也是支架最重要的動力部件和支撐件。立柱的性能和可靠性直接影響著支架的性能和可靠性，進而影響著采煤工作面的安全和生產(chǎn)效率。每根立柱承載數(shù)千千牛的頂板壓力，長期處于高壓受力狀態(tài)，除應(yīng)具有合理的工作阻力和可靠的工作特性之外，還必須有足夠的抗壓和抗彎強度，良好的密封，結(jié)構(gòu)簡單且能適應(yīng)液壓支架工作的要求。液壓支架上廣泛采用的是雙作用活塞式立柱，該文所研究的是雙伸縮立柱。

立柱大缸的缸管選用關(guān)系到支架立柱的抗彎曲、抗高壓能力，直接影響立柱整體的使用效果。而有時由于受到運輸、使用條件的限制，要求在滿足使用條件的前提下，降低總體產(chǎn)品重量，所以必須在有限條件下將產(chǎn)品的每一部分重量盡可能降至最低，這樣也使材料成本更加節(jié)約。

1.2 立柱大缸管優(yōu)化問題描述

現(xiàn)在需要設(shè)計一種立柱，已知選用的鋼管材料為30CrMnSi，工作壓強為31.5 MPa，最大工作載荷根據(jù)支架產(chǎn)品整體設(shè)計的需要定為Pmax=1 960 kN，最小工作載荷可以近似為0，缸管壁厚δ 的取值范圍為20 mm～38 mm，缸管內(nèi)徑D 的取值范圍為200 mm～300 mm，所需鋼管材料長度為1 500 mm。查得，30CrMnSi 合金結(jié)構(gòu)鋼的密度為7.85×103kg/m3。該文所涉及的主要尺寸參數(shù)含義如圖1 所示。

圖1 主要尺寸參數(shù)示意圖

1.3 目標函數(shù)和約束條件公式

忽略缸口連接部分切削掉的質(zhì)量和底部焊接坡口加工時去掉的質(zhì)量，則大缸管質(zhì)量計算公式為：

式中：M—大缸管質(zhì)量（kg），ρ—大缸管材料密度（kg/m3），D—大缸管內(nèi)徑（m），δ—大缸管壁厚（m）。

變量設(shè)計，即主要尺寸參數(shù)D 與x1、δ 與x2一一對應(yīng)，便于MATLAB 軟件進行計算：

式中：x1—大缸管內(nèi)徑，x2—壁厚。

整理后，目標函數(shù)為：

為方便計算，以下數(shù)據(jù)均按國際單位制給出。

液壓缸設(shè)計中，計算公式有很多，但不是所有的公式形成函數(shù)后都能起到約束作用，不能起到約束作用的函數(shù)，應(yīng)在選擇時不予考慮，以減少工作量。該題目必要的約束條件有2 個。

1.3.1 根據(jù)負載大小選定系統(tǒng)壓力表計算D

式中：F—液壓缸的推力（kN），P—選定的工作壓力（MPa），計算的時候經(jīng)常是用試驗壓力，低于16 MPa時，取實際工作壓力的1.5 倍，高于16 MPa 時，取實際工作壓力的1.25 倍。所以該題中應(yīng)選31.5×1.25=39.375 MPa。

將變量設(shè)計值和已知量代入公式（4），并將式（4）轉(zhuǎn)換為不等式，則得到約束函數(shù)為：

式中：g1（x）為約束條件函數(shù)符號，下文中的g2（x）、g3（x）同理。

1.3.2 缸壁厚度δ

當D/δ 比值不同時，所用公式也不同。

1.3.2.1 當D/δ ≥16時，按薄壁筒計算

式中：δ—缸壁厚度（m），Py—試驗壓力（MPa），當工作壓力≥16 MPa 時，Py=1.25Pa，[σ]—缸體材料的許用應(yīng)力（MPa）。

按g1（x）代換和轉(zhuǎn)換方式可得：

1.3.2.2 按中等壁厚

當3.2 ≤D/δ ＜16 時

式中：ψ—強度系數(shù)，對無縫管ψ=1，C—計入壁厚公差及腐蝕的附加厚度，通常圓整到標準厚度值，在工作中常取2 mm。

同理可得：

1.3.2.3 按厚壁筒計算

對中、高壓D/δ ＜3.2 時，常用第二或第四強度理論，該題中不需要考慮。

形狀限制：

0.20 ≤x1≤0.30

0.02 ≤x2≤0.038

1.4 數(shù)學(xué)模型的建立

經(jīng)過上面的分析步驟，可以把上述問題抽象為數(shù)學(xué)模型。

2 運行程序及結(jié)果分析

2.1 求解程序

2.1.1 目標函數(shù)子程序

暫且命名為“gangguan1.m”，即“缸管1”:

function f=gangguan1(x)

f=37*10^3*(x(1)*x=(2)+x(2)^2);

2.1.2 約束函數(shù)子程序

命名為“gangguan2.m”，即“缸管2”:

function [c,ceq]=gangguan2(x)

c(1)=0.0634-x(1)^2;c(2)=0.11581*x(1)-x(2);c(3)=0.11198*x(1)-x(2)+0.002;c(4)=x(1)-0.30;c(5)=0.20-x(1);c(6)=x(2)-0.038;c(7)=0.02-x(2);

ceq=[];

2.1.3 主程序

命名為“gangguanyouhua.m”，即“缸管優(yōu)化”：

x0=[1,1];lbnd=[0,0];ubnd=[];options=[];

[c,ceq]=fmincon('gangguan1',x0,[],[],[],[],lbnd,ubnd,'ganggu an2',options)

該題為求解非線性多變量約束最優(yōu)化問題，所以使用的MATLAB 函數(shù)是fmincon[2]。

2.2 運行結(jié)果

在命令欄輸入主程序名后運行，得以下結(jié)果，c 后顯示的是x1、x2的計算結(jié)果，ceq 后顯示的是質(zhì)量優(yōu)化后的最小值：

c=

0.2518 0.0302

ceq=

315.0516

根據(jù)計算機輸出結(jié)果，當大缸管內(nèi)徑x1=0.2518m，壁厚x2=0.0302m 時，代入質(zhì)量公式之后得到最小質(zhì)量等于315.0516 kg。

當然，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果可以經(jīng)過驗算證明其數(shù)值的可靠性。例如，如求得缸管壁厚δ，可以做一下幾方面的驗算，保證立柱可以安全有效工作。

2.2.1 立柱額定壓力必須低于一定的極限值

式中：Pn—立柱額定壓力（內(nèi)部壓強，MPa），D1—液壓缸大缸管外徑（m），也就是D+2δ，σs—材料的屈服強度（MPa）。

經(jīng)過計算可知，大缸管完全滿足該極限驗證要求。

2.2.2 其他驗證方式

此外還有很多驗證方式，如通過Pn與塑性變形關(guān)系的驗證，大缸管徑向變形ΔD 允許范圍的驗證，費帕爾（Faupel）計算大缸管爆裂壓力的驗證，根據(jù)梅拉公式與第四強度理論驗證過載強度，進行計算機仿真模擬等[3]。

當然，按照常用液壓缸缸徑序列，必須選擇比所求數(shù)值稍大的內(nèi)徑和壁厚的常用缸徑規(guī)格，當內(nèi)徑和壁厚有相應(yīng)變化時，質(zhì)量也會隨之變化。上述各值與日常工作中所接觸的立柱參數(shù)相吻合，而且更加精確，達到了最優(yōu)化設(shè)計的效果。

該例中雖然是將質(zhì)量引入優(yōu)化設(shè)計中，但是影響產(chǎn)品安全性和可靠性的重點參數(shù)也在該過程中得以確定，不但可以對選擇常用規(guī)格系列中的已有規(guī)格有所幫助，而且能夠?qū)ξ磥磉M一步優(yōu)化規(guī)格系列，改進設(shè)計提供重要參考。

3 可能出現(xiàn)的問題及優(yōu)化步驟總結(jié)

3.1 程序運算中可能出現(xiàn)的問題

在設(shè)計參數(shù)的過程中，如果添加了更多的約束條件，運算仍然可以得到結(jié)果，但運算結(jié)果不符合形狀約束條件，而且會出現(xiàn)如下警告:"Warning:Trust-region-reflective method does not currently solve this type of problem,using active-set(line search)instead."提示的“active-set”為有效集運算，此時則需要改變所用函數(shù)的類型，或者修改約束條件。

此外，還會出現(xiàn)持續(xù)運算，而不出現(xiàn)運算結(jié)果的可能，這是由于所寫程序出現(xiàn)死循環(huán)運算，即一直持續(xù)運算，但不能得出最優(yōu)化結(jié)果。此時則需要重新檢查所設(shè)的目標函數(shù)和約束條件。

3.2 優(yōu)化設(shè)計問題求解步驟總結(jié)

綜合所做的其他優(yōu)化題目的過程和經(jīng)驗，總結(jié)出了求解時的7 個步驟。1）判斷優(yōu)化問題的類型（區(qū)分單目標與多目標問題；線性與非線性問題；是否為線性規(guī)劃問題等幾種情況）。2）根據(jù)優(yōu)化問題的類型來選定優(yōu)化函數(shù)。例如，該題目屬于單目標多變量非線性約束優(yōu)化問題， 所以選定fmincon 優(yōu)化函數(shù)。此外，常用函數(shù)還有fminsearch、fminbnd、fminmax、linprog 等很多種，可以滿足各種類型的優(yōu)化問題求解需要。3）優(yōu)化函數(shù)輸入?yún)?shù)。比如初值、等式約束、不等式約束、變量的上下限，編制目標函數(shù)的程序，對于含有非線性約束的問題，需要編制非線性約束的函數(shù)。4）根據(jù)目標函數(shù)的性態(tài)，預(yù)設(shè)優(yōu)化設(shè)置。5）在所有的輸入?yún)?shù)定義后，調(diào)用優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化程序調(diào)試。6）根據(jù)優(yōu)化過程的具體提示信息，修改優(yōu)化選項的設(shè)置，直到達到滿足優(yōu)化函數(shù)所需的優(yōu)化條件為止。7） 對所得優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析和評價[4]。

4 結(jié)論

應(yīng)用MATLAB 的fmincon 等函數(shù)，不僅可以很好地解決單目標多變量約束非線性優(yōu)化等優(yōu)化問題，而且大大提高了設(shè)計的準確度和可靠性，并且使設(shè)計效率比以往有很大提高。在液壓支架設(shè)計過程中，我們可以引入MATLAB軟件，運用其函數(shù)，當然還可以直接調(diào)用其強大的計算模塊和圖形模擬功能。由于MATLAB 軟件具有強大的圖形、數(shù)值計算功能及較高的編程效率，具有以往采用的其他編程方法或手段來解決優(yōu)化問題時所不能比擬的優(yōu)點。因此，它是一種能夠用來解決機械優(yōu)化設(shè)計和工程優(yōu)化問題的十分強大而有效的工具。相信該軟件的運用將會把我們的設(shè)計工作提升到新的水平。