Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS. Σωλήνας από ανοξείδωτο ατσάλι Για την καλύτερη δυνατή 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.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα. Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Σε αυτή τη μελέτη, ο σχεδιασμός των ελατηρίων στρέψης και συμπίεσης του μηχανισμού αναδίπλωσης των πτερύγων που χρησιμοποιείται στον πύραυλο θεωρείται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης. Αφού ο πύραυλος εγκαταλείψει τον σωλήνα εκτόξευσης, τα κλειστά πτερύγια πρέπει να ανοιχτούν και να ασφαλιστούν για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Στόχος της μελέτης ήταν η μεγιστοποίηση της ενέργειας που αποθηκεύεται στα ελατήρια, ώστε τα πτερύγια να μπορούν να αναπτυχθούν στον συντομότερο δυνατό χρόνο. Σε αυτήν 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 τον 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 φέρουν τα ελατήρια. Ο αλγόριθμος μέλισσας (BA) χρησιμοποιήθηκε για την επίλυση αυτού του προβλήματος βελτιστοποίησης και την εκτέλεση του σχεδιασμού του ελατηρίου. Οι τιμές ενέργειας που ελήφθησαν με το BA είναι ανώτερες από εκείνες που ελήφθησαν από προηγούμενες μελέτες Σχεδιασμού Πειραμάτων (DOE). Τα ελατήρια και οι μηχανισμοί που σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους που ελήφθησαν από τη βελτιστοποίηση αναλύθηκαν για πρώτη φορά στο πρόγραμμα ADAMS. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές ενσωματώνοντας τα κατασκευασμένα ελατήρια 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 200 χιλιοστών του δευτερολέπτου. Επιπλέον, η διαφορά μεταξύ των αναλυτικών και των πειραματικών αποτελεσμάτων είναι μόνο 16 ms.
Στα αεροσκάφη και τα θαλάσσια οχήματα, οι μηχανισμοί αναδίπλωσης σωλήνων από ανοξείδωτο χάλυβα είναι κρίσιμοι. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται σε τροποποιήσεις και μετατροπές αεροσκαφών για τη βελτίωση της απόδοσης και του ελέγχου πτήσης. Ανάλογα με τη λειτουργία πτήσης, τα πτερύγια αναδιπλώνονται και ξεδιπλώνονται διαφορετικά για να μειώσουν την αεροδυναμική πρόσκρουση1. Αυτή η κατάσταση μπορεί να συγκριθεί με τις κινήσεις των φτερών ορισμένων πτηνών και εντόμων κατά την καθημερινή πτήση και κατάδυση. Ομοίως, τα ανεμόπτερα αναδιπλώνονται και ξεδιπλώνονται σε υποβρύχια για να μειώσουν τις υδροδυναμικές επιδράσεις και να μεγιστοποιήσουν τον χειρισμό3. Ένας άλλος σκοπός αυτών των μηχανισμών είναι να παρέχουν ογκομετρικά πλεονεκτήματα σε συστήματα όπως η αναδίπλωση μιας έλικας ελικοπτέρου 4 για αποθήκευση και μεταφορά. Τα πτερύγια του πυραύλου αναδιπλώνονται επίσης προς τα κάτω για να μειώσουν τον χώρο αποθήκευσης. Έτσι, περισσότεροι πύραυλοι μπορούν να τοποθετηθούν σε μια μικρότερη περιοχή του εκτοξευτή 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 του ξεδιπλώματος. Λόγω της εύκαμπτης δομής του, η αποθηκευμένη και η απελευθερωμένη ενέργεια εξισορροπούνται. Το ελατήριο έχει σχεδιαστεί κυρίως για το σύστημα και αυτός ο σχεδιασμός παρουσιάζει ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης6. Επειδή ενώ περιλαμβάνει διάφορες μεταβλητές όπως η διάμετρος του σύρματος, η διάμετρος του πηνίου, ο αριθμός των στροφών, η γωνία της έλικας και ο τύπος του υλικού, υπάρχουν επίσης κριτήρια όπως η μάζα, ο όγκος, η ελάχιστη κατανομή τάσης ή η μέγιστη διαθεσιμότητα ενέργειας7.
Αυτή η μελέτη ρίχνει φως στο σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση ελατηρίων για μηχανισμούς αναδίπλωσης πτερύγων που χρησιμοποιούνται σε πυραυλικά συστήματα. Βρισκόμενα μέσα στον σωλήνα εκτόξευσης πριν από την πτήση, τα πτερύγια παραμένουν διπλωμένα στην επιφάνεια του πυραύλου και μετά την έξοδό τους από τον σωλήνα εκτόξευσης, ξεδιπλώνονται για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα και παραμένουν πιεσμένα στην επιφάνεια. Αυτή η διαδικασία είναι κρίσιμη για την ορθή λειτουργία του πυραύλου. Στον αναπτυγμένο μηχανισμό αναδίπλωσης, το άνοιγμα των πτερύγων πραγματοποιείται με ελατήρια στρέψης και το κλείδωμα πραγματοποιείται με ελατήρια συμπίεσης. Για να σχεδιαστεί ένα κατάλληλο ελατήριο, πρέπει να εκτελεστεί μια διαδικασία βελτιστοποίησης. Στο πλαίσιο της βελτιστοποίησης ελατηρίων, υπάρχουν διάφορες εφαρμογές στη βιβλιογραφία.
Οι Paredes et al.8 όρισαν τον μέγιστο συντελεστή διάρκειας ζωής λόγω κόπωσης ως αντικειμενική συνάρτηση για τον σχεδιασμό ελικοειδών ελατηρίων και χρησιμοποίησαν την οιονεί-Νευτώνεια μέθοδο ως μέθοδο βελτιστοποίησης. Μεταβλητές στη βελτιστοποίηση προσδιορίστηκαν ως η διάμετρος του σύρματος, η διάμετρος του πηνίου, ο αριθμός των στροφών και το μήκος του ελατηρίου. Μια άλλη παράμετρος της δομής του ελατηρίου είναι το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο. Επομένως, 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 συντελεστής βάρους ήταν σημαντικός. Σε αυτήν 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 έως την κατανάλωση καυσίμου. Η ελαχιστοποίηση του βάρους κατά τη βελτιστοποίηση των ελικοειδών ελατηρίων για την ανάρτηση είναι μια πολύ γνωστή μελέτη10. Οι Bahshesh και Bahshesh11 εντόπισαν υλικά όπως το E-glass, τον άνθρακα 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 στην ανάπτυξη σύνθετων ελατηρίων. Έτσι, διάφορες μεταβλητές λαμβάνονται υπόψη σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, όπως η μέθοδος παραγωγής, τα βήματα που ακολουθούνται στη διαδικασία και η ακολουθία αυτών των βημάτων12,13. Κατά τον 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 να αποφευχθεί ο συντονισμός14. Οι Taktak et al. 7 αποφάσισαν να ελαχιστοποιήσουν τη μάζα του ελατηρίου και να μεγιστοποιήσουν την πρώτη φυσική συχνότητα ως αντικειμενικές συναρτήσεις στο σχεδιασμό του ελικοειδούς ελατηρίου. Χρησιμοποίησαν μεθόδους αναζήτησης μοτίβου, 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 πεπερασμένων στοιχείων. Ένα άλλο κριτήριο για την αύξηση της χρησιμότητας ενός ελατηρίου είναι η αύξηση της ενέργειας που μπορεί να αποθηκεύσει. Αυτή η περίπτωση διασφαλίζει επίσης ότι το ελατήριο διατηρεί τη χρησιμότητά του για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι Rahul και Rameshkumar17 επιδιώκουν να μειώσουν τον όγκο του ελατηρίου και να αυξήσουν την ενέργεια παραμόρφωσης σε σχέδια ελικοειδών ελατηρίων αυτοκινήτων. Έχουν επίσης χρησιμοποιήσει γενετικούς αλγόριθμους στην έρευνα βελτιστοποίησης.
Όπως φαίνεται, οι παράμετροι στη μελέτη βελτιστοποίησης ποικίλλουν από σύστημα σε σύστημα. Γενικά, οι παράμετροι της ακαμψίας και της διατμητικής τάσης είναι σημαντικές σε ένα σύστημα όπου το φορτίο που φέρει 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 συστήματα υψηλής δυναμικότητας. Σε συστήματα όπου η χρησιμότητα έχει σημασία, η ενέργεια μεγιστοποιείται. Στις μελέτες βελτιστοποίησης, αν και η πεπερασμένη ανάλυση (FEM) χρησιμοποιείται για αναλυτικές μελέτες, φαίνεται ότι οι μεταευρετικοί αλγόριθμοι όπως ο γενετικός αλγόριθμος14,18 και ο αλγόριθμος του γκρίζου λύκου19 χρησιμοποιούνται μαζί με την κλασική μέθοδο Newton εντός ενός εύρους ορισμένων παραμέτρων. Οι μεταευρετικοί αλγόριθμοι έχουν αναπτυχθεί με βάση μεθόδους φυσικής προσαρμογής που προσεγγίζουν τη βέλτιστη κατάσταση σε σύντομο χρονικό διάστημα, ειδικά υπό την επίδραση του πληθυσμού20,21. Με τυχαία κατανομή του πληθυσμού στην περιοχή αναζήτησης, αποφεύγουν τα τοπικά βέλτιστα και κινούνται προς τα συνολικά βέλτιστα22. Έτσι, τα τελευταία χρόνια έχει χρησιμοποιηθεί συχνά στο πλαίσιο πραγματικών βιομηχανικών προβλημάτων23,24.
Η κρίσιμη περίπτωση για τον μηχανισμό αναδίπλωσης που αναπτύχθηκε σε αυτή τη μελέτη είναι ότι τα πτερύγια, τα οποία βρίσκονταν στην κλειστή θέση πριν από την πτήση, ανοίγουν για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα μετά την έξοδο από τον σωλήνα. Μετά από αυτό, το στοιχείο ασφάλισης μπλοκάρει το πτερύγιο. Επομένως, τα ελατήρια δεν επηρεάζουν άμεσα τη δυναμική πτήσης. Σε αυτήν την περίπτωση, ο στόχος της βελτιστοποίησης ήταν η μεγιστοποίηση της αποθηκευμένης ενέργειας για την επιτάχυνση της κίνησης του ελατηρίου. Η διάμετρος του κυλίνδρου, 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 καθορίζεται ως κρίσιμος περιορισμός. Επιπλέον, στο πεδίο εφαρμογής του μηχανισμού εμπλέκονται περιορισμοί μεταβλητού μεγέθους. Η μεταευρετική μέθοδος BA επιλέχθηκε ως μέθοδος βελτιστοποίησης. Η BA προτιμήθηκε για την ευέλικτη και απλή δομή της, καθώς και για τις προόδους της στην έρευνα μηχανικής βελτιστοποίησης25. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης, περιλαμβάνονται λεπτομερείς μαθηματικές εκφράσεις στο πλαίσιο του βασικού σχεδιασμού και του σχεδιασμού ελατηρίων του μηχανισμού αναδίπλωσης. Το τρίτο μέρος περιέχει τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης και τα αποτελέσματα βελτιστοποίησης. Το Κεφάλαιο 4 διεξάγει ανάλυση στο πρόγραμμα ADAMS. Η καταλληλότητα των ελατηρίων αναλύεται πριν από την παραγωγή. Η τελευταία ενότητα περιέχει πειραματικά αποτελέσματα και εικόνες δοκιμών. 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 διπλώνονται προς την επιφάνεια του πυραύλου. Τα φτερά περιστρέφονται από διπλωμένη σε ξεδιπλωμένη θέση. Για αυτό, αναπτύχθηκε ένας ειδικός μηχανισμός. Στο σχήμα 1 φαίνεται η διπλωμένη και ξεδιπλωμένη διαμόρφωση5 στο σύστημα συντεταγμένων του πυραύλου.
Στο σχ. 2 φαίνεται μια τομή του μηχανισμού. Ο μηχανισμός αποτελείται από διάφορα μηχανικά μέρη: (1) κύριο σώμα, (2) άξονα πτέρυγας, (3) ρουλεμάν, (4) σώμα ασφάλισης, (5) δακτύλιο ασφάλισης, (6) πείρο αναστολής, (7) ελατήριο στρέψης και (8) ελατήρια συμπίεσης. Ο άξονας πτέρυγας (2) συνδέεται με το ελατήριο στρέψης (7) μέσω του χιτωνίου ασφάλισης (4). Και τα τρία μέρη περιστρέφονται ταυτόχρονα μετά την απογείωση του πυραύλου. Με αυτήν την περιστροφική κίνηση, τα πτερύγια γυρίζουν 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.
Το μέτρο ελαστικότητας (E) και το μέτρο διάτμησης (G) είναι βασικές παράμετροι σχεδιασμού του ελατηρίου. Σε αυτή τη μελέτη, επιλέχθηκε ως υλικό ελατηρίου χαλύβδινο σύρμα 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 παραμόρφωση του ελατηρίου (xd για ελατήρια συμπίεσης και θ για ελατήρια στρέψης)26. Η αποθηκευμένη ενέργεια για τα ελατήρια συμπίεσης \({(SE}_{x})\) και τα ελατήρια στρέψης (\({SE}_{\θ}\)) μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση. (1) και (2)26. (Η τιμή του μέτρου διάτμησης (G) για το ελατήριο συμπίεσης είναι 83,7E9 Pa, και η τιμή του μέτρου 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 επίσης να λαμβάνονται υπόψη οι συνθήκες υπό τις οποίες θα βρίσκεται ο πύραυλος. Αυτοί οι παράγοντες καθορίζουν τα όρια των παραμέτρων του ελατηρίου. Ένας άλλος σημαντικός περιορισμός είναι ο συντελεστής ασφαλείας. Ο ορισμός ενός συντελεστή ασφαλείας περιγράφεται λεπτομερώς από τους Shigley et al.26. Ο συντελεστής ασφαλείας ελατηρίου συμπίεσης (SFC) ορίζεται ως η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση διαιρούμενη με την τάση σε όλο το συνεχές μήκος. Ο συντελεστής ασφαλείας ελατηρίου συμπίεσης (SFC) μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις (3), (4), (5) και (6)26. (Για το υλικό του ελατηρίου που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη, \({S}_{sy}=980 MPa\)). Το F αντιπροσωπεύει τη δύναμη στην εξίσωση και το KB αντιπροσωπεύει τον συντελεστή Bergstrasser 26.
Ο συντελεστής ασφάλειας στρέψης ενός ελατηρίου (SFT) ορίζεται ως το M διαιρούμενο με το k. Ο συντελεστής ασφάλειας στρέψης μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση (7), (8), (9) και (10)26. (Για το υλικό που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν τη μελέτη, \({S}_{y}=1600 \mathrm{MPa}\)). Στην εξίσωση, το M χρησιμοποιείται για τη ροπή, το \(k}^{^{\prime}}\) χρησιμοποιείται για τη σταθερά 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 διατυπώνεται για να βρει την \(\overrightarrow{\{X\}}\) που μεγιστοποιεί την \(f(X)\). \({f}_{1}(X)\) και \({f}_{2}(X)\) είναι οι ενεργειακές συναρτήσεις του ελατηρίου συμπίεσης και στρέψης, αντίστοιχα. Οι υπολογισμένες μεταβλητές και συναρτήσεις που χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση φαίνονται στις ακόλουθες εξισώσεις.
Οι διάφοροι περιορισμοί που τίθενται στο σχεδιασμό του ελατηρίου δίνονται στις ακόλουθες εξισώσεις. Οι εξισώσεις (15) και (16) αντιπροσωπεύουν τους συντελεστές ασφαλείας για ελατήρια συμπίεσης και στρέψης, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η SFC πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με 1,2 και η SFT πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με θ26.
Η BA εμπνεύστηκε από τις στρατηγικές αναζήτησης γύρης των μελισσών27. Οι μέλισσες αναζητούν στέλνοντας περισσότερους συλλέκτες γύρης σε γόνιμα χωράφια γύρης και λιγότερους συλλέκτες σε λιγότερο γόνιμα χωράφια γύρης. 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 περισσότερες παραγωγικές περιοχές από πριν, πολλοί συλλέκτες γύρης θα κατευθυνθούν σε αυτήν τη νέα περιοχή28. Η BA αποτελείται από δύο μέρη: τοπική αναζήτηση και καθολική αναζήτηση. Η τοπική αναζήτηση αναζητά περισσότερες κοινότητες κοντά στο ελάχιστο (ελίτ τοποθεσίες), όπως οι μέλισσες, και αναζητά λιγότερο άλλες τοποθεσίες (βέλτιστες ή επιλεγμένες τοποθεσίες). Μια αυθαίρετη αναζήτηση εκτελείται 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 θέσεων αναζήτησης (m), τον αριθμό των ελίτ θέσεων (e), τον αριθμό των συλλεκτών σε ελίτ τοποθεσίες (nep), τον αριθμό των συλλεκτών 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, προσδιορίζονται οι βέλτιστες τιμές και συγκεντρώνεται ένας πληθυσμός γύρω από αυτές τις τιμές σε μια προσπάθεια να επιτευχθούν 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 ενεργειακή τιμή 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 διάγραμμα μπλοκ της τοπικής αναζήτησης φαίνεται στο Σχήμα 4.
Ο πληθυσμός είναι μία από τις βασικές παραμέτρους στην αναζήτηση γειτονικών μελισσών (BA). Από προηγούμενες μελέτες φαίνεται 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 θέσεων δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση. Ο αριθμός των ελίτ θέσεων μπορεί να είναι χαμηλός αν δεν είναι μηδέν30. Το μέγεθος του πληθυσμού των μελισσών ανίχνευσης (n) επιλέγεται συνήθως μεταξύ 30 και 100. Σε αυτή τη μελέτη, εκτελέστηκαν τόσο τα σενάρια των 30 όσο και των 50 για να προσδιοριστεί ο κατάλληλος αριθμός (Πίνακας 2). Άλλες παράμετροι καθορίζονται ανάλογα με τον πληθυσμό. Ο αριθμός των επιλεγμένων θέσεων (m) είναι (περίπου) 25% του μεγέθους του πληθυσμού και ο αριθμός των ελίτ θέσεων (e) μεταξύ των επιλεγμένων θέσεων είναι 25% του m. Ο αριθμός των μελισσών που τρέφονται (αριθμός αναζητήσεων) επιλέχθηκε να είναι 100 για τα ελίτ οικόπεδα και 30 για άλλα τοπικά οικόπεδα. Η αναζήτηση γειτονιάς είναι η βασική έννοια όλων των εξελικτικών αλγορίθμων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της σταδιακής μείωσης των γειτόνων. Αυτή η μέθοδος μειώνει το μέγεθος της γειτονιάς με έναν ορισμένο ρυθμό κατά τη διάρκεια κάθε επανάληψης. Σε μελλοντικές επαναλήψεις, μικρότερες τιμές γειτονιάς30 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια πιο ακριβή αναζήτηση.
Για κάθε σενάριο, πραγματοποιήθηκαν δέκα διαδοχικές δοκιμές για να ελεγχθεί η αναπαραγωγιμότητα του αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Στο σχήμα 5 φαίνονται τα αποτελέσματα βελτιστοποίησης του ελατηρίου στρέψης για το σχήμα 1, και στο σχήμα 6 - για το σχήμα 2. Τα δεδομένα δοκιμών δίνονται επίσης στους πίνακες 3 και 4 (ένας πίνακας που περιέχει τα αποτελέσματα που ελήφθησαν για το ελατήριο συμπίεσης βρίσκεται στις Συμπληρωματικές Πληροφορίες S1). Ο πληθυσμός των μελισσών εντείνει την αναζήτηση καλών τιμών στην πρώτη επανάληψη. Στο σενάριο 1, τα αποτελέσματα ορισμένων δοκιμών ήταν κάτω από το μέγιστο. Στο Σενάριο 2, φαίνεται ότι όλα τα αποτελέσματα βελτιστοποίησης πλησιάζουν το μέγιστο λόγω της αύξησης του πληθυσμού και άλλων σχετικών παραμέτρων. Φαίνεται ότι οι τιμές στο Σενάριο 2 είναι επαρκείς για τον αλγόριθμο.
Κατά την απόκτηση της μέγιστης τιμής ενέργειας σε επαναλήψεις, παρέχεται επίσης ένας συντελεστής ασφαλείας ως περιορισμός για τη μελέτη. Δείτε τον πίνακα για τον συντελεστή ασφαλείας. Οι τιμές ενέργειας που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας το BA συγκρίνονται με εκείνες που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο 5 DOE στον Πίνακα 5. (Για ευκολία κατασκευής, ο αριθμός των στροφών (N) του ελατηρίου στρέψης είναι 4,9 αντί για 4,88 και η παραμόρφωση (xd) είναι 8 mm αντί για 7,99 mm στο ελατήριο συμπίεσης.) Μπορεί να φανεί ότι το BA έχει καλύτερο αποτέλεσμα. Το BA αξιολογεί όλες τις τιμές μέσω τοπικών και καθολικών αναζητήσεων. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να δοκιμάσει περισσότερες εναλλακτικές λύσεις πιο γρήγορα.
Σε αυτήν τη μελέτη, ο Adams χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της κίνησης του μηχανισμού πτέρυγας. Αρχικά, στον Adams δίνεται ένα τρισδιάστατο μοντέλο του μηχανισμού. Στη συνέχεια, ορίζεται ένα ελατήριο με τις παραμέτρους που επιλέχθηκαν στην προηγούμενη ενότητα. Επιπλέον, ορισμένες άλλες παράμετροι πρέπει να οριστούν για την πραγματική ανάλυση. Αυτές είναι φυσικές παράμετροι όπως οι συνδέσεις, οι ιδιότητες του υλικού, η επαφή, η τριβή και η βαρύτητα. Υπάρχει μια περιστρεφόμενη άρθρωση μεταξύ του άξονα της λεπίδας και του ρουλεμάν. Υπάρχουν 5-6 κυλινδρικές αρθρώσεις. Υπάρχουν 5-1 σταθερές αρθρώσεις. Το κύριο σώμα είναι κατασκευασμένο από υλικό αλουμινίου και είναι σταθερό. Το υλικό των υπόλοιπων μερών είναι ο χάλυβας. Επιλέξτε τον συντελεστή τριβής, την ακαμψία επαφής και το βάθος διείσδυσης της επιφάνειας τριβής ανάλογα με τον τύπο του υλικού. (ανοξείδωτος χάλυβας AISI 304) Σε αυτήν τη μελέτη, η κρίσιμη παράμετρος είναι ο χρόνος ανοίγματος του μηχανισμού πτέρυγας, ο οποίος πρέπει να είναι μικρότερος από 200 ms. Επομένως, προσέξτε τον χρόνο ανοίγματος της πτέρυγας κατά τη διάρκεια της ανάλυσης.
Ως αποτέλεσμα της ανάλυσης του Adams, ο χρόνος ανοίγματος του μηχανισμού της πτέρυγας 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 στη θέση αναμονής για αναδίπλωση. (2) Εμφανίζει τη θέση της πτέρυγας μετά από 40ms όταν η πτέρυγα έχει περιστραφεί κατά 43 μοίρες. (3) δείχνει τη θέση της πτέρυγας μετά από 71 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Επίσης, στην τελευταία εικόνα (4) φαίνεται το τέλος της στροφής της πτέρυγας και η ανοιχτή θέση. Ως αποτέλεσμα της δυναμικής ανάλυσης, παρατηρήθηκε ότι ο μηχανισμός ανοίγματος της πτέρυγας είναι σημαντικά μικρότερος από την τιμή-στόχο των 200 ms. Επιπλέον, κατά τη διαστασιολόγηση 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. Το πρωτότυπο δοκιμάστηκε στη συνέχεια για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Αρχικά, ασφαλίστηκε το κύριο κέλυφος και διπλώθηκαν τα φτερά. Στη συνέχεια, τα φτερά απελευθερώθηκαν από τη διπλωμένη θέση και δημιουργήθηκε ένα βίντεο με την περιστροφή των φτερών από τη διπλωμένη θέση στην αναπτυγμένη. Ο χρονοδιακόπτης χρησιμοποιήθηκε επίσης για την ανάλυση του χρόνου κατά την εγγραφή βίντεο.
Στο σχήμα 8 φαίνονται τα καρέ βίντεο με αριθμούς 1-4. Το καρέ με αριθμό 1 στο σχήμα δείχνει τη στιγμή απελευθέρωσης των διπλωμένων φτερών. Αυτή η στιγμή θεωρείται η αρχική χρονική στιγμή t0. Τα καρέ 2 και 3 δείχνουν τις θέσεις των φτερών 40 ms και 70 ms μετά την αρχική στιγμή. Κατά την ανάλυση των καρέ 3 και 4, φαίνεται ότι η κίνηση της πτέρυγας σταθεροποιείται 90 ms μετά το t0 και το άνοιγμα της πτέρυγας ολοκληρώνεται μεταξύ 70 και 90 ms. Αυτή η κατάσταση σημαίνει ότι τόσο η προσομοίωση όσο και η δοκιμή πρωτοτύπου δίνουν περίπου τον ίδιο χρόνο ανάπτυξης της πτέρυγας και ο σχεδιασμός πληροί τις απαιτήσεις απόδοσης του μηχανισμού.
Σε αυτό το άρθρο, τα ελατήρια στρέψης και συμπίεσης που χρησιμοποιούνται στον μηχανισμό αναδίπλωσης των πτερύγων βελτιστοποιούνται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία BA. Οι παράμετροι μπορούν να επιτευχθούν γρήγορα με λίγες επαναλήψεις. Το ελατήριο στρέψης έχει ονομαστική ισχύ 1075 mJ και το ελατήριο συμπίεσης έχει ονομαστική ισχύ 37,24 mJ. Αυτές οι τιμές είναι 40-50% καλύτερες από προηγούμενες μελέτες του DOE. Το ελατήριο ενσωματώνεται στον μηχανισμό και αναλύεται στο πρόγραμμα ADAMS. Κατά την ανάλυση, διαπιστώθηκε ότι τα πτερύγια 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 μοντελοποιήθηκαν 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, η Βιολογική Θεωρία θα εφαρμοστεί για τον σχεδιασμό άλλων τύπων ελατηρίων χρησιμοποιώντας διαφορετικά υλικά, ώστε να επιτευχθεί βέλτιστος σχεδιασμός ελατηρίων σε μελλοντική έρευνα.
Δηλώνουμε ότι το παρόν χειρόγραφο είναι πρωτότυπο, δεν έχει δημοσιευτεί προηγουμένως και δεν εξετάζεται προς το παρόν για δημοσίευση αλλού.
Όλα τα δεδομένα που δημιουργήθηκαν ή αναλύθηκαν σε αυτήν τη μελέτη περιλαμβάνονται σε αυτό το δημοσιευμένο άρθρο [και σε αρχείο πρόσθετων πληροφοριών].
Min, Z., Kin, VK και Richard, LJ Αεροσκάφος Εκσυγχρονισμός της έννοιας της αεροτομής μέσω ριζικών γεωμετρικών αλλαγών. IES J. Μέρος Α Πολιτισμός. σύνθεση. έργο. 3(3), 188–195 (2010).
Sun, J., Liu, K. και Bhushan, B. Μια επισκόπηση της οπίσθιας πτέρυγας του σκαθαριού: δομή, μηχανικές ιδιότητες, μηχανισμοί και βιολογική έμπνευση. J. Mecha. Συμπεριφορά. Βιοϊατρική Επιστήμη. alma mater. 94, 63–73 (2019).
Chen, Z., Yu, J., Zhang, A., και Zhang, F. Σχεδιασμός και ανάλυση ενός αναδιπλούμενου μηχανισμού πρόωσης για ένα υβριδικό υποβρύχιο ανεμόπτερο. Ocean Engineering 119, 125–134 (2016).
Kartik, HS και Prithvi, K. Σχεδιασμός και Ανάλυση Μηχανισμού Πτυσσόμενου Οριζόντιου Σταθεροποιητή Ελικοπτέρου. Εσωτερική δεξαμενή αποθήκευσης J. Ing. τεχνολογία. (IGERT) 9(05), 110–113 (2020).
Kulunk, Z. και Sahin, M. Βελτιστοποίηση των μηχανικών παραμέτρων ενός σχεδιασμού πτυσσόμενης πτέρυγας πυραύλου χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση σχεδιασμού πειράματος. internal J. Model. optimization. 9(2), 108–112 (2019).
Ke, J., Wu, ZY, Liu, YS, Xiang, Z. & Hu, Μέθοδος Σχεδιασμού XD, Μελέτη Απόδοσης και Διαδικασία Κατασκευής Σύνθετων Ελατηρίων: Μια Ανασκόπηση. compose. composition. 252, 112747 (2020).
Taktak M., Omheni K., Alui A., Dammak F. και Khaddar M. Βελτιστοποίηση δυναμικού σχεδιασμού ελικοειδών ελατηρίων. Εφαρμογή για ήχο. 77, 178–183 (2014).
Paredes, M., Sartor, M., και Mascle, K. Μια διαδικασία για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού ελατηρίων εφελκυσμού. Ένας υπολογιστής. Εφαρμογή της μεθόδου. fur. project. 191(8-10), 783-797 (2001).
Zebdi O., Bouhili R. και Trochu F. Βέλτιστος σχεδιασμός σύνθετων ελικοειδών ελατηρίων χρησιμοποιώντας βελτιστοποίηση πολλαπλών στόχων. J. Reinf. plastic. compose. 28 (14), 1713–1732 (2009).
Pawart, HB και Desale, DD Βελτιστοποίηση ελικοειδών ελατηρίων μπροστινής ανάρτησης τρίκυκλου. διαδικασία. κατασκευαστής. 20, 428–433 (2018).
Bahshesh M. και Bahshesh M. Βελτιστοποίηση χαλύβδινων ελικοειδών ελατηρίων με σύνθετα ελατήρια. internal J. Multidisciplinary. the science. project. 3(6), 47–51 (2012).
Chen, L. et al. Μάθετε για τις πολλές παραμέτρους που επηρεάζουν τη στατική και δυναμική απόδοση των σύνθετων ελικοειδών ελατηρίων. J. Market. δεξαμενή αποθήκευσης. 20, 532–550 (2022).
Frank, J. Ανάλυση και Βελτιστοποίηση Σύνθετων Ελικοειδών Ελατηρίων, Διδακτορική Διατριβή, Πανεπιστήμιο Sacramento State (2020).
Gu, Z., Hou, X. και Ye, J. Μέθοδοι σχεδιασμού και ανάλυσης μη γραμμικών ελικοειδών ελατηρίων χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό μεθόδων: ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων, δειγματοληψία με περιορισμένο λατινικό υπερκύβο και γενετικός προγραμματισμός. διαδικασία. Fur Institute. έργο. CJ Mecha. έργο. η επιστήμη. 235(22), 5917–5930 (2021).
Wu, L., et al. Ρυθμιζόμενος ρυθμός ελατηρίου Πολυκλωνικά ελατήρια από ανθρακονήματα: Μελέτη σχεδιασμού και μηχανισμού. J. Market. δεξαμενή αποθήκευσης. 9(3), 5067–5076 (2020).
Patil DS, Mangrulkar KS και Jagtap ST Βελτιστοποίηση βάρους ελικοειδών ελατηρίων συμπίεσης. Εσωτερική δεξαμενή αποθήκευσης J. Innov. Πολυεπιστημονική. 2(11), 154–164 (2016).
Rahul, MS και Rameshkumar, K. Πολυχρηστική βελτιστοποίηση και αριθμητική προσομοίωση ελικοειδών ελατηρίων για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία. alma mater. Η διαδικασία σήμερα. 46. ​​4847–4853 (2021).
Bai, JB et al. Ορισμός βέλτιστης πρακτικής – Βέλτιστος σχεδιασμός σύνθετων ελικοειδών δομών με χρήση γενετικών αλγορίθμων. compose. composition. 268, 113982 (2021).
Shahin, I., Dorterler, M., και Gokche, H. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο βελτιστοποίησης 灰狼 που βασίζεται στη βελτιστοποίηση του ελάχιστου όγκου του σχεδιασμού ελατηρίου συμπίεσης, Ghazi J. Engineering Science, 3(2), 21–27 (2017).
Aye, KM, Foldy, N., Yildiz, AR, Burirat, S. και Sait, SM Μεταευρετική χρήση πολλαπλών πρακτόρων για τη βελτιστοποίηση των σφαλμάτων. internal J. Veh. dec. 80(2–4), 223–240 (2019).
Yildyz, AR και Erdash, MU Νέος υβριδικός αλγόριθμος βελτιστοποίησης ομάδας Taguchi-salpa για αξιόπιστο σχεδιασμό πραγματικών προβλημάτων μηχανικής. alma mater. test. 63(2), 157–162 (2021).
Yildiz BS, Foldi N., Burerat S., Yildiz AR και Sait SM Αξιόπιστος σχεδιασμός ρομποτικών μηχανισμών λαβής χρησιμοποιώντας έναν νέο υβριδικό αλγόριθμο βελτιστοποίησης ακρίδας. expert. system. 38(3), e12666 (2021).