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基于响应面法的球铰芯轴预成形多目标优化
摘要
本研究主要基于响应面法进行球铰芯轴预成形的多目标优化，利用三维有限元模型对球铰芯轴的设计参数进行优化。通过改变球铰芯轴的直径、长度以及锥度等设计参数，以最小化圆度误差、表面粗糙度和残余应力为优化目标，构建响应面模型，并利用遗传算法对多目标优化模型进行求解。结果表明，响应面法是一种有效的优化方法，可以得到高质量的优化设计方案。此外，本研究还分析了各设计参数对优化目标的影响，并提出了优化建议和改进方向，为球铰芯轴的预成形优化提供了重要的参考和指导。
关键词：响应面法；球铰芯轴；多目标优化；遗传算法；圆度误差；表面粗糙度；残余应力
Abstract
Thisstudyfocusesonthemulti-objectiveoptimizationofpreformingoftheballjointshaftbasedonresponsesurfacemethodology.Three-dimensionalfiniteelementmodelswereusedtooptimizethedesignparametersoftheballjointshaft.Bychangingthediameter,lengthandconeoftheballjointshaft,theoptimizationgoalswereminimizedtoroundnesserrors,surfaceroughness,andresidualstress.Theresponsesurfacemodelwasconstructedandthegeneticalgorithmwasusedtosolvethemulti-objectiveoptimizationmodel.Theresultsshowthattheresponsesurfacemethodisaneffectiveoptimizationmethodthatcanobtainhigh-qualityoptimizationdesignschemes.Thisstudyalsoanalyzestheimpactofvariousdesignparametersonoptimizationobjectives,andputsforwardoptimizationsuggestionsandimprovementdirections,whichprovidesimportantreferencesandguidanceforthepreformingoptimizationoftheballjointshaft.
Keywords:responsesurfacemethodology;balljointshaft;multi-objectiveoptimization;geneticalgorithm;roundnesserror;surfaceroughness;residualstress
引言
球铰芯轴是汽车底盘传动系统中的重要部件，其设计精度和加工精度对底盘的稳定性和平稳性有着至关重要的影响。随着设计要求的不断提高，传统的设计方法已经不能满足优化设计的要求。因此，利用数值模拟方法对球铰芯轴进行预成形优化逐渐成为研究的热点和难点。
响应面法是一种常用的数值优化方法，通过构建数学模型，将设计参数与优化目标之间的关系进行了数学描述。它可以通过对模型的分析和优化，确定最佳设计参数，实现优化设计。
本研究运用三维有限元模型，利用响应面法对球铰芯轴的设计参数进行多目标优化，以圆度误差、表面粗糙度和残余应力为优化目标，构建响应面模型，并利用遗传算法对多目标优化模型进行求解。通过分析各设计参数对优化目标的影响，提出优化建议和改进方向，为球铰芯轴的预成形优化提供了新思路和方法。
材料和方法
1.建立三维有限元模型
本研究采用SolidWorks软件建立球铰芯轴的三维有限元模型。模型总长为60mm，总直径为30mm，其中锥度为30度。材料参数如表1所示。
(表1)
2.建立响应面模型
本研究以圆度误差、表面粗糙度和残余应力为优化目标，运用响应面法构建多目标优化模型。设计参数包括球铰芯轴的直径、长度和锥度三个参数。通过三因素三水平正交试验，对于每个因素取三个不同的水平值，共计27个试验点，得到相应的响应值。将试验数据拟合得到二次多项式模型，通过ANOVA分析确定模型的显著性水平和交互作用等重要参数。
3.多目标优化设计
本研究利用遗传算法对响应面模型进行求解，获得优化的设计参数。遗传算法是一种模拟自然进化过程的优化算法，通过个体的选择、交叉和变异操作，实现设计参数的优化。
结果与讨论
1.响应面模型的拟合效果
本研究对响应面模型进行了拟合效果分析，结果表明二次多项式模型