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应用神经网络和粒子群算法的振动式分选机参数优化研究

金磊 杨金堂 周泽 田万智 王烨堃

金磊, 杨金堂, 周泽, 田万智, 王烨堃. 应用神经网络和粒子群算法的振动式分选机参数优化研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(6): 855-862. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180255
引用本文: 金磊, 杨金堂, 周泽, 田万智, 王烨堃. 应用神经网络和粒子群算法的振动式分选机参数优化研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(6): 855-862. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180255
Lei Jin, Jintang Yang, Ze Zhou, Wanzhi Tian, Yekun Wang. Parameter Optimization of Vibratory Sorter using Neural Network and Particle Swarm Optimization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(6): 855-862. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180255
Citation: Lei Jin, Jintang Yang, Ze Zhou, Wanzhi Tian, Yekun Wang. Parameter Optimization of Vibratory Sorter using Neural Network and Particle Swarm Optimization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(6): 855-862. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180255

应用神经网络和粒子群算法的振动式分选机参数优化研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180255
基金项目: 

湖北省技术创新专项重大项目 2017ACA180

湖北省科技支撑计划项目 2015BCA305

详细信息
    作者简介:

    金磊(1995-), 硕士研究生, 研究方向为机械CAD/CAE/CAM, 1262769530@qq.com

    通讯作者:

    杨金堂, 教授, 硕士生导师, 博士, 3207472@qq.com

  • 中图分类号: TG156

Parameter Optimization of Vibratory Sorter using Neural Network and Particle Swarm Optimization

  • 摘要: 针对废旧铅酸蓄电池回收预处理工艺中极群分离问题设计了振动式分选机,并应用椭圆基神经网络近似模型和粒子群算法研究了振动式分选机参数优化问题。首先,以降低质量、降低应力和提高第3阶固有频率为目标,利用灵敏度分析获得影响程度最高的结构参数;其次,采用具有最高拟合度的椭圆基神经网络构建试验设计样本的最佳近似模型,并采用优化效果更佳的粒子群算法进行数值优化;最后,对优化前后的结构进行可靠性分析。结果表明:优化后结构质量降低了9.7%,最大等效应力降低了36.7%,第3阶固有频率提高了12.9%,结构可靠度提高了5.9%。
  • 图  1  蓄电池预处理过程

    图  2  多重响应智能算法优化流程

    图  3  整体等效应力云图

    图  4  设计变量位置示意图

    图  5  各设计变量与响应的关系

    图  6  PSO算法的Pareto前沿图

    图  7  NSGA-II算法的Pareto前沿图

    图  8  优化前后六西格玛分析结果

    表  1  材料属性设置

    材料 密度/(kg·m-3) 弹性模量/Pa 泊松比
    Q235 7 850 2.0×1011 0.3
    橡胶 1 112 2.6×106 0.499
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    表  2  前6阶固有频率和振型

    阶数 固有频率/Hz 模态振型描述
    1 5.95 入口沿YZ平面左右摆动
    2 6.98 整体沿XZ平面上下平动
    3 20.097 出口沿YZ平面左右摆动
    4 23.843 整体沿XY平面上下摆动
    5 37.235 整体沿YZ平面上下摆动
    6 45.269 整体沿Z轴扭动
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    表  3  设计变量的初始值和范围

    变量 参数定义 初始值/mm 取值范围/mm
    t1 出入口上板厚度 5 3≤t1≤7
    t2 侧方连接板厚度 10 4≤t2≤12
    t3 弹簧处连接板厚度 6 4≤t3≤12
    t4 振动电机上方加强板厚度 15 5≤t4≤18
    t5 下主梁厚度 5 3≤t5≤7
    t6 上主梁厚度 4 3≤t6≤7
    t7 调距横梁厚度 15 5≤t7≤18
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    表  4  设计变量的灵敏度

    变量 灵敏度
    质量M 最大等效应力S 第3阶固有频率F3
    t1 0.0043 -0.064 3 -0.007 6
    t2 0.1089 -0.103 6 -0.043 8
    t3 0.06 -1.373 3 0.077 6
    t4 0.0187 -0.041 1 0.020 3
    t5 0.0488 -0.123 3 0.130 1
    t6 0.0365 -0.411 5 -0.018 9
    t7 0.0807 -0.097 -0.017
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    表  5  近似模型拟合效果评估

    类型 决策系数 平均误差/10-2 最大误差/10-2
    M S F3 F2 M S F3 F2 M S F3 F2
    RSM 1 0.949 0.937 0.999 0.001 6.03 4.275 0.149 0.008 20.58 15.065 0.51
    Kriging 0.949 0.95 0.938 0.949 3.97 5.26 3.761 3.742 21.11 24.98 23.89 17.968
    RBF 0.999 0.933 0.952 0.998 0.662 6.96 3.769 0.831 3.467 22.549 12.684 3.92
    EBF 1 0.984 0.972 0.999 0.104 3.22 2.662 0.87 0.349 10.55 11.176 3.683
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    表  6  基于EBF近似模型的数值优化对比

    参数 初始值 PSO优化 NSGA-II优化
    x1/mm 10 4 4.011 7
    x2/mm 6 9.151 5 9.327
    x3/mm 5 6.286 4 6.318 5
    x4/mm 4 5.959 7 5.927 6
    x5/mm 15 5 5.052 8
    M/kg 173.54 156.61 156.93
    S/MPa 125.99 76.807 76.648
    F3/Hz 20.097 22.616 22.611
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    表  7  优化值相对误差分析

    目标 M/kg S/MPa F3/Hz
    优化前初始值 173.54 125.99 20.097
    有限元计算值 156.77 79.757 22.628
    PSO算法优化值 156.61 76.807 22.616
    计算相对误差/% 0.1 3.7 0.05
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  • 收稿日期:  2018-05-23
  • 刊出日期:  2019-06-05

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