基于模型变换的多挡位行星变速器离散拓扑结构及参数集成优化设计理论与方法研究

Application of model-transformation based method to the integrated design of epicyclic geartrain transmission is an important approach to gradually finding the global optimum solutions that satisfy the requirements and constraints involved in the topological design, gear and manipulator configuration design, and the parametric performance optimization stages by quickly traversing the design space. In this research project, multi-level graph and mathematical models as well as their graph transformation rules are built by considering the characteristics of transmission in each conceptual design stage, and then numerical synthesis and sub-structure transformation based methods are proposed to generate the initial topological graphs, in which 2-color planar graph theory is used to check the structure isomorphism; The concept of fundamental geared entities and symbol computation are used to conduct gear configuration design, and the planar graph theory is applied to the manipulator configuration and automatic layout design; a meta-model based method is adopted to assemble the multi-objective optimization model of multi-speed transmissions, and estimation of distribution evolution algorithm is used to implement the concurrent optimization of the model containing discrete and continuous design variables. The integrated multi-speed epicyclic geartrain transmission optimization software system is developed on the foundation of available product conceptual optimum design platform built in the last finished project, and transmission used in cars, bulldozers, tanks etc. are selected as the object for checking the above theory, method and software systems, simulations and physical tests will be conducted in order to obtain high-performance transmission design concepts.

采用模型变换的方法实现多挡位行星变速器拓扑结构、挡位及操纵件配置与参数性能优化的集成设计是快速遍历设计空间以逐次生成满足各阶段设计需求和约束条件的最优方案的重要途径。本申请项目建立适应多挡位行星变速器各阶段特征及变化规律的多层次图论与数学模型及其模型变换图文法规则，采用数综合与子结构图变换的方法生成变速器初始拓扑结构图，应用二色平面图理论对生成方案的同构性进行判定以保证其唯一性；采用基本齿轮实体概念和符号运算的方法对拓扑结构方案的挡位进行分析，应用平面图理论对操纵件配置进行研究并建立自动布置方法；采用元模型装配生成多挡位行星变速器多目标优化设计模型，应用分布估计进化算法对包含离散和连续设计变量的优化模型进行并行求解。在申请者已构建的产品方案优化设计平台上开发多挡位行星变速器集成优化设计系统，以汽车、推土机和坦克等用变速器为对象对上述论理论、方法及系统进行应用验证，获得高性能变速器设计方案。

采用模型变换的方法实现多挡位行星变速器拓扑结构、挡位及操纵件配置与参数性能优化的集成设计是快速遍历设计空间以逐次生成满足各阶段设计需求和约束条件的最优方案的重要途径。本申请项目建立适应多挡位行星变速器各阶段特征及变化规律的多层次图论与数学模型及其模型变换图文法规则，采用数综合与子结构图变换的方法生成变速器初始拓扑结构图，应用二色平面图理论对生成方案的同构性进行判定以保证其唯一性；采用基本齿轮实体概念和符号运算的方法对拓扑结构方案的挡位进行分析，应用平面图理论对操纵件配置进行研究并建立自动布置方法；采用元模型装配生成多挡位行星变速器多目标优化设计模型，应用分布估计进化算法对包含离散和连续设计变量的优化模型进行并行求解。在申请者已构建的产品方案优化设计平台上开发多挡位行星变速器集成优化设计系统，以汽车、推土机和坦克等用变速器为对象对上述论理论、方法及系统进行应用验证，获得高性能变速器设计方案。.基于以上研究内容，建立了采用三层拓扑图的表达方法建立了行星变速器的拓扑结构，利用有向图和邻接矩阵特征值枚举了非同构多自由度多行星排拓扑结构，总结了换挡操纵原件的布置规律及约束条件，利用转速矩阵方程求解了合理操纵原件布置条件下的传动比表达式；选用基于卡方检验的蒙特卡洛模拟算法预判及检验挡位分布情况，提高了挡位排序效率，利用含有精英策略的非劣分层遗传算法作为多目标优化算法对所设计的新型多挡位变速器进行了优化。进一步采用区间分析研究了多挡位变速器参数敏感分布范围，为多挡位变速器方案优化设计的约束设置提供了基础。总结归纳了行星机构齿轮参数设计的约束和优化方程，以机构尺寸为目标实现了齿轮参数方案的优化综合。进行了多挡位变速器的实例设计，得到了若干已有专利方案和创新优选方案，针对汽车、推土机用变速器进行了应用验证，已申请发明专利6项，授权1项，发表和录用学术论文4篇，登记软件著作权1项。