一种基于复合人因势场的口盖尺寸优化设计方法

摘要

本发明公开了一种人因势场的口盖尺寸优化设计方法，包括以下步骤：一、建立复合人因势场模型；二、进行人因分析验证维修人员初始位置；三、计算满足应力强度的最小倒圆；四、基于人因势场理论优化求解满足维修性要求的口盖参数。本发明可以计算得到最小的口盖面积，在避免应力集中的同时，保证良好的可视性和可达性水平。该方法物理意义明确，且可以通过计算机自动完成，避免了通过人工经验设计所导致的口盖大小不合理问题，也避免了需反复修改所导致的效率低下问题，为飞机、船舶等口盖的维修性设计提供了科学的技术途径。

主权项

一种基于复合人因势场的口盖尺寸优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：(一)、建立复合人因势场模型：复合人因势场为可视性和可达性两个因素所构成的人工势场；定义复合人因势能函数为：$U_F=\left\{\begin{array}{cc}[1-C_{\theta }\left(X_P\right)·C_l\left(X_P\right)]·\underset{i=1}{\overset{\mathrm{DOF}}{\Sigma }}{\omega }_i{\left(\frac{q_i-q_i^N}{q_i^U-q_i^N}\right)}^2& q_i^U\ge q_i\ge q_i^N\\ [1-C_{\theta }\left(X_P\right)·C_l\left(X_P\right)]·\underset{i=1}{\overset{\mathrm{DOF}}{\Sigma }}{\omega }_i{\left(\frac{q_i-q_i^N}{q_i^L-q_i^N}\right)}^2& q_i^N\ge q_i\ge q_i^L\end{array}\right.---\left(1\right)$其中：q_i为从人体腰部到眼部和手部的各关节角度，为中心角度，q_imax为从人体腰部到眼部和手部的各关节的最大活动范围，q_imin为从人体腰部到眼部和手部的各关节的最小活动范围；ω_i为各关节舒适度的权值，满足DOF为各关节自由度之和；C_l(X_P)为可视度视距函数；C_θ(X_P)为视野影响函数，由垂直视野函数和水平视野函数构成；定义垂直视野函数为：式(2)中，θ_y为垂直视线角:θ_y1min，θ_y1max为最佳视野的最小垂直视线角和最大垂直视线角，θ_y0min，θ_y0max为最大视野的最小垂直视线角和最大垂直视线角；定义水平视野函数表达式为：$C_{{\theta }_x}=\left\{\begin{array}{cc}1& {\theta }_x=0\\ 0& \left|{\theta }_x\right|>{\theta }_{x0\max }\\ -0.1·\frac{\left|{\theta }_x\right|}{{\theta }_{x1\max }}+1& 0<\left|{\theta }_x\right|\le {\theta }_{x1\max }\\ 0.9·\frac{\left|{\theta }_x\right|-{\theta }_{x0\max }}{{\theta }_{x1\max }-{\theta }_{x0\max }}& {\theta }_{x1\max }<\left|{\theta }_x\right|\le {\theta }_{x0\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$式中，θ_x为水平视线角：θ_x1max为最佳视野内最大水平视线角，θ_x0max为最大视野内最大水平视线角；C_l(X_P)为可视度视距函数：$C_l=\left\{\begin{array}{cc}1& l=l_1\\ 0.2·\frac{l-l_1}{l_1-l_{1\min 1}}+1& l_{1\min }\le l\le l_1\\ -0.2·\frac{l-l_{1\max }}{l_1-l_{1\max }}+1& l_1\le l\le l_{1\max }\\ 0.8·\frac{l}{l_{1\min }}& 0<l\le l_{1\min }\\ 0.8·\frac{l-l_{0\max }}{l_{1\max }-l_{0\max }}& l_{1\max }<l\le l_{0\max }\\ 0& l>l_{0\max }\end{array}\right.---\left(4\right)$式中，l₁为最优视距，l_1min和l_1max为正常作业视距的最小值和最大值，l_0max表示最大作业视距；二、通过人因分析验证人员位置：依据国家标准“中国成年人人体尺寸”(GB10000‑1988)，取第90百分位的人体手臂尺寸作为设计参考，确定人体前端面与设备面板的距离，保证所有内部待修设备满足可视性和可达性要求；三、计算满足应力强度的最小倒圆：开口会产生应力集中，需要对存在直角过渡的口盖进行倒圆，使得最大应力满足强度约束；分析口盖应力情况，按照1mm为步长确定倒圆角尺寸，建立口盖应力分析的有限元模型，进行有限元分析；在保留尺寸余量Δ的情况下确定满足应力集中要求的最小倒圆半径η；四、基于人因势场理论优化求解面积最小情况时的口盖尺寸参数：(1)基于人因势场的口盖尺寸优化模型的建立建立基于人因势场的口盖尺寸优化模型，包括变量的确定与描述、目标函数的建立和约束条件：①变量的确定与描述考虑设备的尺寸和位置参数；设计变量为设备的位置参数X，即：X＝{X_e,X_s,X_h}＝{(x_e,y_e,z_e),(x₁,…,x_i,…x_n),(x_h,y_h,z_h)}    (5)其中，X_e＝(x_e,y_e,z_e)为描述人眼睛的位置参数，X_h＝(x_h,y_h,z_h)为口盖的中心坐标，X_s＝(x₁,…,x_i,…x_n)(i＝1,2,…n)为描述口盖的形状特征参数，n为形状特征参数个数；②约束条件的处理口盖的形状设计过程中的约束条件有：a.人的视线能够通过口盖观察到设备关键人因点；以Ω表示口盖经过人的视线投影在设备底面内部的各点集合(区域)；P_i(x_i,y_i,z_i)表示各关键人因点的坐标；则有：P_i(x_i,y_i,z_i)∈Ω，i＝1,2,…m                (6)其中m表示设备关键人因点的个数；b.观察点的人因势能值应不高于要求的极限值；较高的人因势能值意味着较差的维修性；形状优化的人因势能值约束为：$U=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\omega }_j{U}_{\mathrm{Fj}}\le U_{F\max }---\left(7\right)$其中，U_Fj、ω_j为设备第j个关键人因点复合人因势能值及其权重值，m表示设备关键人因点的个数；U_Fmax为要求的极限人因势能值；ω_j之间满足归一化条件：(0＜ω_j＜1)；U_F为复合人因势场值；③目标函数的确立定义设备的关键人因点，优化设计变量，使人的眼睛通过口盖能够观察到关键人因点，并且满足复合人因势场势能值不大于0.2的要求；按照上面第三步的口盖强度要求，保证最小倒圆半径为η；同时希望口盖愈小愈好，也即口盖的面积最小：minS＝minS(x₁,…,x_i,…x_n)              (8)(2)求解最优的口盖尺寸参数采用自适应粒子群算法进行求解；具体过程如下：①采用Matlab软件初始化模型参数，包括维修设备相关的尺寸和位置、人体站立的姿势及空间位置；②根据公式(1)‑(8)建立基于复合人因势场、以口盖面积为目标的开口尺寸优化模型；采用Matlab软件初始化随机产生符合约束条件的粒子群位置和速度；计算初始化粒子群中在尺寸优化模型中最优值，确定初始最优位置参数；③更新速度和粒子群位置并检验是否满足约束条件，如不是继续更新速度和粒子群位置直至满足条件；粒子的速度和位置根据如下方程进行更新：$v_{\mathrm{id}}^{k+1}=v_{\mathrm{id}}^k+c_1·{\mathrm{rand}}_1^k·(p_{\mathrm{id}}^k-x_{\mathrm{id}}^k)+c_2·{\mathrm{rand}}_2^k·(p_{\mathrm{gd}}^k-x_{\mathrm{id}}^k)---\left(9\right)$$x_{\mathrm{id}}^{k+1}=x_{\mathrm{id}}^k+v_{\mathrm{id}}^{k+1}---\left(10\right)$式中，和为(0～1)内均匀分布的随机数；是粒子i在k次迭代中第d维的当前位置；c₁和c₂是学习因子或加速系数；p_id为粒子群经历的当前最优值；p_gd则为全局最优值；④计算面积目标函数，以目标函数变化率作为停止准则，检验是否满足停止准则，循环更新粒子速度和位置直至满足停止准则，得到最优结果。