پروژه آماده: بررسی و بهینه سازی محورهای دوار با استفاده از روش های الگوریتم ژنتیک

فهرست مطالب عنوان صفحه فهرست جدولها ج فهرست شكلها د فصل 1 بهینه سازی و طبقه بندی آن 1 1 1 مقدمه 1 1 2 الگوريتمهاي بهينه سازي 4 1 3 روش نلدر ميد 7 1 4 بهينه سازي بر مبناي كمينه سازي خطي 10 1 5 روشهاي بهينه سازي طبيعي 13 1 5 1 Hill Climbing 14 فصل 2 الپروژه آماده: بررسی و بهینه سازی محورهای دوار با استفاده از روش های الگوریتم ژنتیک|30011603|sarzamindoost|پروژه آماده: بررسی و بهینه سازی محورهای دوار با استفاده از روش های الگوریتم ژنتیک
با ما همراه باشید با موضوع پروژه آماده: بررسی و بهینه سازی محورهای دوار با استفاده از روش های الگوریتم ژنتیک

فهرست مطالب



عنوان صفحه



فهرست جدول‌ها ‌ج



فهرست شكل‌‌ها ‌د



فصل 1 بهینه سازی و طبقه بندی آن 1



1 1 مقدمه 1



1 2 الگوريتمهاي بهينه سازي 4



1 3 روش نلدر ميد 7



1 4 بهينه سازي بر مبناي كمينه سازي خطي 10



1 5 روشهاي بهينه سازي طبيعي 13



1 5 1 Hill Climbing 14



فصل 2 الگوریتم ژنتیک 16



2 1 الگوريتم ژنتيک 16



2 1 1 مفاهيم بيولوژيکي ژنتيک 16



2 1 2 معرفي الگوريتم 19



2 1 3 برازندگي 23



2 1 4 توليد مثل 25



2 1 5 انتخاب 26



2 1 5 1 انتخاب بر اساس گردونهي شانس 26



2 1 5 2 روش انتخاب متناسب 27



2 1 5 3 روش انتخاب مسابقهاي (تورنمنت) 28



2 1 5 4 انتخاب نخبهگرا 29



2 1 6 عملگرهاي ژنتيکي 29



2 1 6 1 همگذري (ادغام) 30



الف) روش ادغام تک نقطهاي يا تک مکاني 31



ب) روش ادغام دو نقطهاي 32



ج) روش ادغام چند نقطهاي 33



ه) نرخ ادغام 36



2 1 6 2 جهش 37



2 2 مراجع 38



فصل 3 طراحی محور دوار ساخته شده از مواد مرکب 2



3 1 مقدمه 2



3 2 شرایط طراحی و کاربردها 4



3 3 تعیین قطر خارجی شافت برای مقاصد مختلف 4



3 4 بهینه سازی طراحی 8



3 5 کمانش و ارتعاشات 14



3 6 استحکام پیچشی 14



3 7 بررسی اثر طول 15



3 8 ملاحظات طراحی و ساخت 16



3 9 جمع بندی 17



3 10 مراجع 17



فصل 4 میراسازی گشتاورهای پیچشی روی محور توربین ژنراتور به کمک پایدارسازهای نوین ژنتیکی و فازی 20



4 1 مقدمه 20



2 21



4 2 نتایج شبیه‌سازی 28



4 3 جمعبندی 41



4 4 منابع 41



فصل 5 تعادل غیرعامل یک سیستم مکانیکی دوّار با استفاده از الگوریتم ژنتیک 44



5 1 مقدمه 44



5 2 شرح سیستم و مدلسازي 48



5 3 فرآیند بهینه سازي 52



5 4 موارد بررسی شده 56



5 5 نتایج 59



5 6 منابع: 65



فهرست جدول‌ها



عنوان صفحه



جدول ‏3 1: مقایسه قطر خارجی شافت جدار ضخیم اورتوتروپیک (برای دو ماده) و فولادی برای مقاصد مختلف. قطر خارجی شافت (Do ) به اینچ 7



جدول ‏4 1: ضرایب بهره کنترلی در پایدارساز ژنتیکی نوین 33



جدول ‏4 2: مجموعه قوانین فازی در پایدارساز ترکیبی فازی 37



جدول ‏4 3: ضرایب بهره کنترلی در پایدارساز ترکیبی فازی 38



جدول ‏5 1 مقادیر استهلاك و خصوصیات دیسکها 56



جدول ‏5 2 جهات لنگی (قبل و بعد از بهینه سازی). 60





فهرست شكل‌‌ها



عنوان صفحه



شکل ‏2 1:ژنهاي سازنده کروموزوم ‏[15] 17



شکل ‏2 2: نمايي از شکل يک کروموزوم بکار گرفته شده در الگوريتم ژنتيک‏ [15] 20



شکل ‏2 3: يک نمونه گردونه شانس [15]. 27



شکل ‏2 4: نمايش فرايند همگذري [15]. 30



شکل ‏2 5: ادغام تک نقطهاي [15]. 31



شکل ‏2 6: ادغام دو نقطهاي [15]. 33



شکل ‏2 7: ادغام چند نقطهاي در صورتيکه تعداد مکانها زوج باشد [15]. 33



شکل ‏2 8: ادغام چند نقطهاي در صورتيکه تعداد مکانها فرد باشد [15]. 34



شکل ‏2 9: ادغام يکنواخت‏ [15]. 35



شکل ‏2 10: ادغام تصادفي با استفاده از مقدار Mask [15] 36



شکل ‏3 1: مدل شافت توخالی جدار ضخیم. 6



شکل ‏3 2: تنش برشی کرنش برشی بر حسب فاکتور سختی و مقایسه دو طراحی تنش ثابت و مدول ثابت. 13



شکل ‏4 1: مجموعه توربین ژنراتور به همراه خط DC موازی با خط AC متصل به شین بی‌نهایت 22



شکل ‏4 2: i امین جرم از یک سیستم N جرم و فنر در محور 23



شکل ‏4 3: مدل سیستم تک ماشین متصل به شین بی‌نهایت به همراه خط HVDC [10] 25



شکل ‏4 4: تنش‌های چرخشی روی قسمت‌های مختلف محور توربین ژنراتور پس از درخواست اضافه بار 31



شکل ‏4 5: نمودار بلوکی کنترل کننده‌های خط انتقال جریان مستقیم موازی و سیستم تحریک (پایدارساز طراحی شده) 32



شکل ‏4 6: بلوک دیاگرام سیستم پایدارساز ژنتیکی نوین 33



شکل ‏4 7: نوسانات پیچشی روی بخش‌های مختلف محور توربین ژنراتور با استفاده از پایدارساز ژنتیکی پس از اضافه بار 36



شکل ‏4 8: بلوک دیاگرام سیستم پایدارساز فازی نوین 36



شکل ‏4 9: توابع عضویت ورودی کنترل کننده فازی 37



شکل ‏4 10: توابع عضویت خروجی کنترل کننده فازی 37



شکل ‏4 11: نوسانات پیچشی روی بخش‌های مختلف محور توربین ژنراتور با استفاده از پایدارساز فازی پس از اضافه بار 40



شکل ‏5 1 سیستم مکانیکی دوّار چند دیسکی 49



شکل ‏5 2 نموداري از یک دیسک غیر تعادلی 51



شکل ‏5 3 فلوچارت فرآیند بهینه سازي 54



شکل ‏5 4 سیستم مکانیکی دوّار با 3 دیسک غیرتعادلی 56



شکل ‏5 5 همگذري پراکنده. 58



شکل ‏5 6: سابقه همگرایی ارزیابی GA براي مورد I 59



شکل ‏5 7: نموداري از جهات لنگی مورد a تنظیمات اولیه b تنظیمات بهینه سازي شده 61



شکل ‏5 8 تغییرات دامنه نوسان براي یاتاقانهاي مورد 61



شکل ‏5 9: نیروهاي شعاعی یاتاقان در سیستمهاي اصلی و بهینه سازي شده براي مورد I 62



شکل ‏5 10 تغییرات دامنهي نوسان یاتاقانها در شبیه سازي کردن مورد I 63



ماشینهاي دوّ ار شامل قطعاتی چون شفتها، دیسکها، چرخ دندهها یا تیغهها هستند. برخی از نمونههاي معروف این گروه، ماشین ابزارها، توربو ماشینها و توربینهاي گازي میباشند. یکی از مشکلات بزرگی که این سیستم از ماشینها با آن مواجه میشوند، لرزش و ارتعاش است. به طور عمده، این لرزشها از عدم تعادل در روتور یا شفت، هم محور نبودن کوپلها و ناصاف بودن شفت نشأت میگیرد.



با توجه به تقاضاي روزافزون براي سیستمهاي روتور یاتاقان با توان بالا، سرعت بالا و سبک، محاسبات سرعت بحرانی و حالت پایدار به طور همزمان جواب میدهد و رزونانس و تشدید در مرحلهي قبل از بحرانی براي طراحی سیستم، شناخت، تشخیص و کنترل آن به یک ضرورت تبدیل میشود[1] . کنترل لرزش و ارتعاش به ویژه در ارتقاء سطح تکمیلی ماشین حائز اهمیت است که منجر به دست یابی به یاتاقانها و دوكهاي بلندتر و طولانی شدن عمر ابزار در ماشینهاي سرعت بالا و کاهش خاموشیهاي خارج از برنامه میگردد [2]. طراحی مطلوب یک روتور انعطاف پذیر که با یاتاقانهاي گوشه تقویت میشود، توسط استفاده از روش الگوریتم ژنتیک (GA) براي بهینه ترین عملکرد با در نظر گرفتن پایداري سیستم ارائه شده است[3]. جهت ارتقاء و بهبود روش طراحیِ بهینه و کارآمد براي یاتاقانهاي غلتشی، متد GA با در نظر گرفتن یک سري محدودیتها و تابع هدف کلّی مورد استفاده قرار گرفته است [4]. متعادل سازي یک روتور انعطاف پذیر به عنوان یک مسئله ي بهینه سازيِ مینیماکس، تنظیم و فرموله شده است [5]. همچنین روش برنامه ریزي مربعیِ متوالی (SQP) براي حل این مسئله به کار گرفته شده. از یک مثال تعادلی براي نشان دادن اثر این فرمول بندي استفاده شده است. Liu و Qu [6] یک روش تعادلی جدید را براي سیستمهاي روتوري ارائه داده اند.



بهینه سازي GA و شبیه سازي کامپیوتري براي ساده سازي فرآیند تعادلی مورد استفاده قرار گرفتند. روش ذکر شده باعث کاهش تعداد آزمونها و افزایش دقت و اثر در حوزه هاي تعادلی گردید Liu [7] یک روش نوین تعادلی را براساس تکنیک هولواسپکتروم ایجاد کرد تا یک روتور انعطاف پذیر را بدون تست که در سرعتهاي بالا انجام میشود، بالانس کند. Jang و Chung [8]. در زمینهي پایداري دینامیکی تحقیق و مطالعه کردند که زمان براي بالانس کنندهي اتومات گوي یک روتور با شفتی انعطاف پذیر پاسخگو است. پایداري بالانس کنندهي گوي در نزدیکی موقعیت تعادلیِ بالانس شده، آنالیز شده است. مواد پلیمري به عنوان کمک یاتاقان براي بهبود عملکرد دینامیکی سیستمهاي روتور شفت مورد بررسی قرار گرفته اند [9]. بررسیهاي تئوري نشان میدهند که استفاده از اینگونه اجزاء، واکنش غیرتعادلی روتور را کاهش داده و سبب افزایش پایداري سرعت حدّي براي سیستمهاي سادهي روتور شفت شده که هر دو مورد منجر به افزایش خصوصیات دینامیکی میشوند.



لرزش سیستم روتور ترك دار و یاتاقان لغزشی با سایش روتور استاتور توسط Wan و همکارانش مورد بررسی قرار گرفته اند [10]. پاسخ دینامیکی روتور با استفاده از روش Newmark و در نظر گرفتن یک سري فاکتورهاي غیرخطی محاسبه شده است Yang و همکارانش [11] ، لرزش روتور یک توربین بخار فشار پایین در یک نیروگاه هسته اي را بررسی نموده اند. روش دوگانه GA با در نظر گرفتن پاسخهاي رزونانس شده (تشدید شده)، به عنوان تابع هدف مورد استفاده قرار گرفت. با استفاده از این روش، امکان کاهش دادن واکنش اضافی در سرعت بحرانی و به دست آوردن شرایط پایداري بیشتر، وجود دارد. Yu و Li [12]، یک مدل غیرخطی پیچشی مزدوج عرضی یک سیستم مزدوج روتور یاتاقان چرخدنده بر اساس برخورد و تداخل شرایط زوجهاي چرخدنده اجراء کردند. Al Bedoor [ 13,14] پیچش مزدوج و ارتعاش جانبی روتورهاي غیرتعادلی را که شامل اثرات ساییده شدن روتور به استاتور است، ارائه داده و مدلی را با استفاده از روتور Jeffcott ساده بررسی نمود. وجود جفت اینرسیایی و اثرات متقابل غیر خطی بین ارتعاش پیچشی و عرضی نشان داده شده. بهینه سازي شکل جهت کاهش میزان ارتعاش توسط Straub و همکارانش ارائه شده است [15]. جرم تشکیل یک تابع هدف میدهد و یک محدودیت غیرخطی جهت کاهش دادن وزن، لرزش و سر و صدا Kang و همکارانش [16]، تعادل سیستمهاي روتور یاتاقان را تحت تنظیمات مختلف سنسورها و صفحات با آنالیز.اعمال میشوداِلمانهاي محدود، شبیه سازي کردند. دقت و راندمان بالانس کردن روتور توسط انتخاب محل سنسور و تعادل، بهبود یافت. در تحقیقی که توسط Guo و Hredzak [17] صورت گرفت، امکانپذیر بودن یک متدِ تعادلیِ عامل روي درایو دیسک سخت بررسی شد. روشهاي تعادلی عامل و غیرعامل (اضافه کردن وزنه) با یکدیگر مقایسه شده و مزایا و معایب هر کدام مورد بحث قرار گرفته اند Ishida [18] یک روش جدید توقف لرزشِ غیرعامل را با استفاده از ترکیب دستگاههاي تعادل غیرعامل معروف مانند بالانس کننده گوي، جذبکنندهي آونگ مرکزگریز و جذبکنندهي غلطکی مرکزگریز معرفی کرد.



با بررسی منابع، میتوان مشاهده نمود که تحقیقات بسیاري در زمینهي سیستمهاي مکانیکی دوّار طی بیست سال گذشته انجام گرفته است. این بررسیها، به خصوص، روي کاهش لرزشها متمرکز شدهاند؛ چه با طراحی یاتاقانهاي مناسب و چه با کنترل این لرزشها توسط تکنیکهاي کنترلی مختلف (تعادل عامل سیستمها). تعادل غیرعامل توسط تعدادي از محققان مورد بررسی قرار گرفته[17,18] . اما تحقیقات روش حل غیرعامل که بدون استفاده از هرگونه وزنه یا دستگاهی براي لرزش است، مانند تنظیم مقادیر پارامترهاي طراحی مناسب با استفاده از تکنیکهاي بهینه سازي در سیستمهاي مکانیکی دواّر؛ در نظر گرفته نشده است. در این تحقیق، جهت تعیین شرایط مناسب تعادلی براي دیسکهاي غیرتعادلی، آنالیزهاي تئوري براي سیستمهاي مکانیکی دوّاري که تعداد زیادي دیسک غیرتعادلی دارند، صورت گرفته است. پس از آنالیز ارتعاشات سیستم، دو مثال عددي با سه دیسک غیر تعادلی براي شفافسازي و کاربرد روش ذکر شده، اجراء شد. سه دیسک که سه نیروي مرکزگریز ایجاد میکنند، در موقعیتهاي زاویه اي تصادفی نسبت به همدیگر قرار گرفتند. ارتعاشات مربوط به جهتهاي y و x تعیین شد و یک تابع هدف مناسب شکل گرفت. روش GA براي حل مسئله بهینه سازي جهت پیدا کردن مقادیر بهینه متغیرهاي طرح به کار گرفته شد. این کار، یک متد کاربردي براي کاهش لرزش یاتاقان با استفاده از یک تکنیک بهینه سازي را پیشنهاد میدهد.




  • شرح سیستم و مدلسازي



  • شکل یک سیستم مکانیکی دوّار چند دیسکی در تصویر 1 آمده است. هر دیسک در فاصلهي مشخصی نسبت به سمت چپ یاتاقان قرار گرفته و یاتاقانها در انتهاي شفت جاي گرفته اند. تصویر 2 نموداري از یک دیسک نامتعادل را نشان میدهد.



    معادله حاکم بر این سیستم را میتوان به صورت زیر نوشت: