时间：2023-06-16 16:44:20
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【关键词】多孔材料；多功能；优化设计
0.引言
随着工业装备和航空航天的迅猛发展，对高性能材料的设计提出了更高的要求，如：轻量化、高刚度、高散热、抗冲击性和多功能化应用等。多孔金属材料因其优良的性能和广泛的应用前景，近年来成为研究的焦点。
多孔金属材料性能与孔结构直接相关，孔隙率与多功能性能相关。改变孔隙率和孔的结构将影响材料的综合性能。因此，可根据不同需求对其结构多学科优化设计。本文将结合多孔材料的性能表征，对轻质多孔材料进行多功能化优化设计。
1.多孔材料多功能特性
多孔金属材料具有独特的多功能特性，包括：
（1）多孔材料的密度远远小于实体材料的密度。不同多孔材料孔结构不同，一般孔隙率都较高。
（2）抗冲击性 多孔金属在承受压应力时产生塑性变形，大量的冲击量被转变为塑性能，以热量形式耗散。
（3）高刚性 蜂窝多孔材料有很好的力学性能，同时其性能有较强方向性。
（4）高散热性多 孔金属是优良的传热介质，可以作为飞行器和超高速列车的散热装置。此外，在高孔隙中流过冷却剂，可达到冷却和承载的目的，在航天结构领域有广泛应用。
（5）吸声效果 与传统材料相比， 多孔泡沫结构吸声效果良好。
综上所述， 多孔材料具有高刚度、高强度、轻量化和高散热性等明显优势。多孔金属既是优良的结构材料，也是性能优异的功能材料，在交通、海洋采油、航空航天、医疗等领域中有着重要意义。多孔材料不仅性能优良，也降低能源消耗和减少环境污染。
2.多孔材料的性能表征
2.1 多孔金属材料静力学性能
在恒定载荷下，对轻质多孔金属材料的静力学性能研究。当这些构件比较复杂时，一般采用数值方法来研究其破坏变形；当宏观结构较为单一简单时，本构理论也较简单，且计算效率高，往往是数值方法中的主要方法。
本章使用ANSYS有限元程序进行有限元分析，由于结构较为复杂，模型使用三维四面体单元。材料杨氏模量为70GPa，屈服应力为150MPa，泊松比为0.3。
建立多孔金属材料有限元模型，有限元分析表明，该材料弹性模量和压缩强度均明显提高，材料弹性模量随孔径比的增加而增大，压缩屈服应力随孔径比的增加先增大后减小。对压缩变形机理进行讨论，变形主要为斜杆的弯曲变形，同时，小杆的弯曲变形机制使表现出不同的塑性流动特性。
研究表明，随着孔径比的增大，材料表现出不同的流动行为。材料塑性变形主要集中在斜杆上，孔洞的四个顶点处几乎没有变形，因此，斜杆的弯曲是泡沫金属压缩时的主要变形机制。提高孔径比，弯曲刚度显著提高，且塑性应变集中在压缩方向的小杆上。当小杆截面积逐渐增大时，结构应力也逐渐提高，直至斜杆发生屈服。
2.2 多孔金属材料动力学性能
在实际应用中，多孔金属可承受动态荷载而产生大范围变形，本文通过选择基体材料、孔隙结构来控制动态变形特征，可使多孔金属成为理想的吸能材料。多孔金属在高变形下的动态性能和破坏机理研究对于其的广泛应用具有重要意义。此外，载荷作用下力学行为的研究也是结构材料的重要前提之一，尤其对抗冲击材料在军事和防恐领域中的应用具有重要意义。
多孔材料在冲击下的变形模型一般采用动量守恒和能量守恒得出动态激励下的变形。多孔金属材料的吸能机理研究已成为当前多孔材料研究的热门方向。金属多孔材料抗冲击分析是建立在静态模型基础上的，未考虑应变效应的影响，很难准确得出整个材料的动态性能。如何进行冲击荷载下的强度和破坏研究，建立相关的本构关系及破坏判据，需要进一步深入研究。
2.3 多孔金属材料热力学性能
孔隙传热是多孔金属多功能特性中最受广泛关注的领域。材料的高热传导系数和对流换热使得多孔金属具有优良的换热性能。
传热性能研究一般集中于常温导热和单相对流传热。根据多孔金属结构的流体动力特性，确定了不同雷诺数作用下的动量方程，得出了惯性力表达式；根据空气冷却对流换热特性，测定了对流传热随微结构参数的变化规律，建立单相对流传热模型；测定真空状态下导热系数随温度的变化规律，进而确定了高温下的热传递规律。随着相对密度的提高，多孔结构的导热系数会随之增大，且导热系数与相对密度基本成线性关系。
传统材料的设计通过调整单一材料设计参数使之能够满足工程实际需求。在大多数情况下，材料的设计无法达到最优化。由于上述局限，力学工作者虽然以材料为研究对象，但只发挥其辅助作用。随着以多孔材料和复合材料的发展，材料的可设计性已有了较大提高，可根据工程需求利用优化技术设计出最优越的材料。
多目标优化问题的主要思路是目标加权求解。对多个目标中，评价各目标权重系数 ，将多目标归一化。从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题。
在航空航天领域，许多结构件需要同时满足强度、隔热和轻质的要求。从第3节力学性能研究中我们知道，随着密度的增大，材料屈服强度提高，多孔金属板的隔热性能降低，且孔径比越大，多金属板的隔热性能越好。针对单一目标优化进行的参数选取与其他目标优化的参数选取是相互矛盾的，需要进行多目标优化设计，以选取同时满足强度、隔热和轻质要求的材料参数。
金属板构件参数多目标优化设计中，首先采用最小二乘法对屈服应力和隔热参数进行多项式拟合， 以此表达式作为构件的目标函数，通过建立包含强度、隔热和轻质多目标函数的优化设计模型，采用权重法将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行求解。
4.结论与展望
通过建立了多目标优化设计数学模型，求解目标最优的金属孔径比、相对密度。结果表明多孔金属板的综合性能显著优于传统金属板。
多孔金属材料应用前景十分广阔，但目前很多研究还只限于对宏观性能参数的研究，对细观结构研究还较少。
【参考文献】
（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255022；2.山东理工大学农业工程与食品科学学院，
山东 淄博 255022；3.山东理工大学理学院，山东 淄博 255022）
【摘要】折叠桌因其艺术性的设计以及节约空间、方便搬运的优点在现代家居生活中倍受青睐。同时，折叠桌因其可折叠的特性也承受着其稳定性与承受力大小的考验。我们采用刚体转动模型求解其稳定性指标，利用各个加工参数之间的数学关系求解其原料消耗，采用超静定次数进行定性分析描述其加工方便度，最终利用多目标规划模型分别赋予不同指标优先因子对折叠桌进行优化设计。
关键词 刚体转动；多目标规划；空间坐标系；最优加工参数
1 问题由来
工业设计师Robert van Embricqs 设计一款名为rising side table [1]，桌子外形由直纹曲面构成，桌面呈圆形，桌腿随着铰链的活动可以平摊成一张平板。桌腿由若干根木条组成，分成两组，每组各用一根钢筋将木条连接，钢筋两端分别固定在桌腿各组最外侧的两根木条上，并且沿木条有空槽以保证滑动的自由度（如图1所示）。
2 问题分析
在两根钢筋所在平面，以两根钢筋对称轴为x轴，两根钢筋中点连线为y轴，垂直地面向上为z轴方向建坐标系 （如图2），木条与圆形桌面的相连接的点记为P点，从外到里分别用P10，P9，…，P1来表示，最中间的点记为坐标为P1，且P10的坐标为(2.5,25,25)。钢筋穿过木条的点记为Q点，同理从外到里分别用Q10，Q9，…，Q1，标记顺序同P点一致。
Fi：第i根木条的开槽位置i=1，2…，10；fi：第i根木条的开槽长度（i=1，2，…，10）；h2：钢筋初始位置d：每根木条的宽度；li：木条长度α：最外侧木条与地面夹角；c：木板的厚度
3 构造约束条件
鉴于对折叠桌的设计，需要综合稳固性、经济性、加工便利性等因素进行优化其设计。
稳固性：
稳固性主要受重心位置的高低、支撑面的大小以及结构的影响[2]。根据桌子稳定性测试（BS4875-5）标准，设计的产品稳固性不达标就不能流通于市场，所以我们把力学性能分析放在首要地位。稳固性主要测试其竖直承受力与一侧承受力大小。竖直承受力大小多取决于折叠桌的材料，一侧受力多取决于折叠桌结构。将折叠桌视为刚体，其一侧受力发生侧翻即为刚体转动问题。[3]根据折叠桌使用的木料、钢筋求其质量分布，得其密度ρ（x，y，x）（此处密度可视为常数）。折叠桌的质量
经济性：折叠桌折叠之前为一块木板，所需材料即为木板的面积。
加工便利性：
由于桌腿由若干根木条组成，沿木条有空槽以保证滑动的自由度，进而木条的数目以及开槽长度影响加工便利性。根据力学原理，每增加一根木条，该结构的超静定次数便增加一次，因此该结构为多次超静定结构[4]，采取增加木条的方法来增加超静定次数，降低受力敏感度，是影响其加工便利性与稳定性的重要因素。
4 多目标规划模型
j：木条的宽度；e：木板的宽度；b1：最外侧木条所留桌面边沿长度；g：木板长度
5 结论分析
折叠桌以其灵活性、便捷性融入百姓生活。本文在保证折叠桌优良特性的前提下，引入刚体转动分析，结合多目标规划模型，优化设计折叠桌，保证了其稳固性、经济性、加工便利性。
参考文献
［1］韩佳成,Robert Van Embricqs.平板折叠桌[J].设计,2012，8．
［2］刘延柱．刚体动力学理论与应用[M]．上海交通大学出版社，2006-8-1．
［3］wenku.baidu.com/link?url=po 7 pey 2 xG_w0ELxvIgKKosCkC 6 jtfibAZW cBNT00Xx-YJNOh TpBOG 3_c22 TfersEysmn6 iyBkau_bkmEuV9 LDGZpqr51 HuOT2 OWNFqiFLx_&qq-pf-to=pcqq. c2[OL].
［4］钱令希．超静定与静定结构学[M]．科学出版社，2011．
关键词：主动约束层阻尼（ACLD）；多目标优化设计；快速非支配排序算法（NSGA-II）；FxLMS算法
中图分类号：TB381文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.01.07
Abstract：Based on the finite element model of the plate partially treated with active constrained layer damping（ACLD）， a multi-objective optimization model of the ACLD/plate was established. Design variables include the location-numbering of the ACLD patches， and the objective was to maximize the first two modal loss factors. The fast and elitist non-dominated sorting genetic algorithm （NSGA-II） was improved to carry out the optimization. After the optimal locations were obtained， the controller employing the FxLMS algorithm was developed. The vibration control simulations of the ACLD/plate excited by the same disturbance were carried out with different optimal ACLD patches configurations. It is shown that the better result of vibration reduction can be achieved in passive and active control modes when the optimal ACLD patches configuration are employed.
Key words：active constrained layer damping（ACLD）； multi-objective optimization； fast and elitist non-dominated sorting genetic algorithm（NSGA-II）； FxLMS algorithm
主动约束层阻尼（Active Constrained Layer Dam-ping，ACLD）技术已被证明是一种有效的减振降噪技术[1-3]，它结合了传统的约束层阻尼技术和主动振动控制的优点，在较宽的频段范围内都能够很好地抑制结构的振动噪声。ACLD采用离散结构时，其布置位置对抑制结构振动具有重要的影响。对ACLD的位置进行优化设计，可以保证在主动控制失效时，仍然有较好的减振降噪效果[4]。目前，采用ACLD技术对结构进行主动振动控制时，对ACLD衬片布置位置的选择多是基于某一单一的性能指标[5-7]。但在工程应用中，ACLD的配置优化问题多为多目标优化问题，要求能够同时有效抑制若干阶模态的振动，且考虑到实际的条件限制，还要求有备选方案。因此，研究基于ACLD衬片多目标优化问题的结构振动控制，是十分必要的。
本文首先基于局部覆盖ACLD片体的悬臂板有限元动力学模型，建立了多目标优化设计模型。然后采用改进的NSGA-II算法对4片ACLD衬片的布置位置进行了多目标优化设计研究，确定了基于Pareto最优解理论的ACLD衬片的布置方案。最后选取3组ACLD衬片的布置方案，基于FxLMS算法设计了前馈控制器，研究了在同一外扰激励下，采用不同的ACLD配置方案时，结构的振动控制效果。
2.1 NSGA-II算法
NSGA-II是一种基于Pareto方法的多目标进化算法。该算法是Deb[10]等人在非支配排序算法（Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm，NSGA）的基础上改进得到的。由于NSGA-II算法具有算法简单、收敛速度较快和鲁棒性较强的特点，已经成为多目标优化算法的基准算法之一。2.2 对NSGA-II的改进
本文采用全新的能够处理整形变量的Laplace交叉算子和幂变异算子，对NSGA-II算法进行改进。
2.2.1 Laplace交叉算子
4 数值算例
以部分覆盖ACLD的悬臂板为研究对象，ACLD板由基层的铝板、粘弹性层的ZN-1型粘弹材料以及约束层的P-5H压电陶瓷组成。各层板的材料参数见表1。约束阻尼板一端约束，形成悬臂板，左端为约束端，将其单元划分4×8个单元，则单元的优化布置区间为[1，32]，单元编号如图4所示。在下述的优化过程中，选取布置4片ACLD衬片。
以上述的悬臂板的前两阶损耗因子最大化为优化目标，采用改进后的NSGA-II算法对ACLD衬片的位置多目标优化计算。设置合适的遗传算法参数，达到最大进化代数时结束程序。各个目标的进化历程可以看出大约进化10代左右，各个目标的最大值已经收敛。得到的Pareto前沿，对应的9组ACLD衬片的优化配置方案，即Pareto最优解集，见表2。由图6可知，Pareto前沿近似为一条曲线，但比较分散，这是由于设计变量为一离散的整数空间而导致的。从Pareto最优解集中，挑选4组ACLD的配置，进行振动响应分析，可以看出，采用配置1时，第1阶响应最小，但第2阶的响应最大；采用配置9时，则反之。采用配置3和7时，第1阶振动响应相对于配置9分别下降了5.6 dB和1.9 dB，第2阶振动响应相对于配置1分别下降了6.2 dB和8.8 dB。与配置1和9相比时，配置3和7则能够同时对前两阶的振动响应都具有较好的抑制，其中配置3的控制效果更好。
分别选取ACLD衬片的配置1、3和9，基于FxLMS控制算法，建立悬臂板的SISO振动控制系统。f1和f2分别为悬臂板结构的第1、2阶模态频率），悬臂板结构控制前后的响应曲线如图8所示。悬臂板第1阶模态的振动能量较第2阶模态的振动能量大，在同样的激励下，第1阶振动响应就比较大。此外，配置9对第1阶的振动抑制较弱，因此，采用优化配置9时，未控制的振动响应大于优化配置1和3。在同样的控制器参数和控制能量下，配置9的振动响应趋于发散，配置1和配置3都能够有效抑制结构的振动，振动响应分别由2.05 mm和2.14 mm衰减到0.25 mm和接近于0 mm。图9是ACLD不同衬片下的振动响应的频域图。在未施加控制时，频响曲线的结果有同样的趋势。配置3对第1阶和第2阶振动响应都能够很好地抑制，配置1则对第1阶振动响应更有效。由此可以看出，采用多目标优化算法，对振动被动控制时的ACLD衬片配置进行优化，并基于此设计振动主动控制器对结构进行主动振动控制时，都能够有效地衰减悬臂板的前两阶振动响应，保证了ACLD技术用于主被动模式时都具有较好的振动抑制效果。
5 结论
本文基于主动约束层阻尼结构的有限元动力学模型，采用改进的NGSA-II算法对ACLD衬片进行了多目标优化设计，并基于优化设计的结果设计了FxLMS前馈控制器，对结构的振动抑制情况进行了仿真分析和研究。结果表明，当ACLD结构工作于被动模式时，采用多目标优化算法得到的ACLD配置能够同时对结构的前两阶振动响应进行较好的抑制；工作于主动模式时，基于优化的ACLD配置设计的控制系统，具有更好的振动抑制效果，这就保证了ACLD技术用于主被动模式时都具有较好的振动抑制效果。
参考文献（References）
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作者介绍
责任作者：张东东（1986-），男，山西晋城人。博士研究生，主要从事结构振动噪声控制研究。
E-mail：
通讯作者：郑玲（1963-），女，重庆人。教授，博导，主要从事振动噪声控制，智能结构与系统，以及汽车系统动力学方面的研究。
关键词：智能桁架；压电作动器；遗传算法；优化配置
智能桁架结构采用一体化思想，将控制元件以主动杆的形式取代部分结构杆件，使其能够传感外界条件，并且能够通过一定方法控制信号产生作动功能以响应外界条件变化，实现结构对环境的自适应。
在传感器与作动器的优化配置问题求解上，前人采取了枚举法等一般算法，但随着计算机技术的发展，随机类算法得到了广泛的开发和应用。目前国内的相关研究以遗传算法居多：研究遗传算法在搜索目标函数方面的应用，以及基于其他智能算法思想对遗传算法的改进。
许锐等[1]使用粒子群算法，姜冬菊等[3]使用混沌优化算法，研究了结构优化问题。李红芳等[2]基于混沌理论（Chaos theory）改进遗传算法，使算法对初值敏感性加强、提高局部搜索速度，提高了遗传算法的运行效率。
1 力学模型
研究以压电材料和普通材料组成的智能桁架结构，为简化。压电材料以堆叠形式叠加形成作动器，作为主动杆对结构产生的形变或震动进行响应，并产生电压与应变，通过一定的控制方式（如主动控制、被动控制或混合控制），对外界作用进行响应和调整，使结构能够更加稳定。
2 遗传算法设计
针对遗传算法的收敛过程中的早熟问题，对适应度函数进行调整。有相关文献提出的自适应函数，使用动态适应度对演化过程进行调节：最大适应度Fitmax，最低适应度Fitmin和平均适应度Fitave。设计阀值a（0.5
对于压电桁架，通过设计各杆的横截面以及主动杆位置，使得桁架总质量与节点位移满足优化目标。以最小重量W为目标，在控制电压V和杆应力σ不超过上限，节点位移在要求范围内，对主动杆布置以及各杆的横截面在取值区间内进行搜索：
其中：ρ1为普通杆密度；ρ2为压电杆密度；ai=0表示杆为普通杆，ai=1表示杆为压电杆。
3 计算实例
使用压电材料优化十杆桁架问题（文献[5]），在原有杆截面问题上增加压电作动器优化结构，使得重量最小且节点位移在要求内。尺寸结构，左端节点3、6铰接固定，右端自由。杨氏模量为，许用应力为25ksi=172.375MPa，各杆横截面下限为，普通杆密度为，压电作动器密度，斜杆（杆2、4、6、10）作动因子为8.81，横杆（杆1、3、7、8、9、10）作动因子为1.25，压电杆最大电压为300V，要求位移小于杆长，载荷作用于节点5。
设计自适应遗传算法，取初始种群数M=60；使用浮点编码横截面积；使用长度为10的字符串通过二进制编码进行杆位的编码，其中1代表主动杆，0代表普通杆。设定交叉概率为，变异概率为。迭代200代进行搜索，结果如表1所示。
计算结果相比较文献中，添加了作动器使得结构在设置条件下质量降低9.6%，可以证明使用遗传算法进行计算是可行的。
4 结束语
结果证明了使用遗传算法进行作动器位置、杆件截面的多目标优化的可行性，其应用于大型复杂结构多也成为可能。
参考文献
[1]许锐，王泽兴，罗雪.桁架优化的改进粒子群算法[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2012，30（1）.
[2]李红芳.混沌遗传算法与结构优化设计[D].天津大学建筑工程学院，2004.
[3]姜冬菊.结构拓扑和布局优化及工程应用研究[D].河海大学，2008.
关键词：提升运输；多目标优化；控制器；安全保护
0 引言
随着工业技术的迅速发展，矿井生产向大型化、规模化的煤炭能源基地方向发展。而矿井提升机是矿山的关键设备，是联系井下与地面的“咽喉”设备，由于单次提升量及提升容器愈来愈大，提升速度愈来愈高，提升设备的安全运行直接影响到整个矿井的生产效率、国家财产和人员生命的安全。一旦发生重大事故，除设备安全、人员生命受到威胁外，可能导致整个矿井瘫痪，将造成重大的损失。所以不断完善矿井提升机的控制系统和保护装置，开展相关研究具有重要的意义。
近年来，矿井提升机的控制与安全保护问题受到国内外众多研究机构和企业的广泛关注，并开展了很多相关的研究工作，研究的主要内容包括电动机的调速与控制技术、后备安全保护装置和运行监控系统等。例如，文献[1]～[4]等对矿井提升机用电动机的控制进行了研究，其目标主要是提高启动、制动、调速的平稳性和可靠性，降低能耗等，实现的主要技术手段是应用先进的控制理论和数字变频技术；文献[5]～[7]等对后备保护装置和监控系统做了一定的研究，内容包括防过卷、防过速、提升力矩保护、过负荷及欠压保护等。但是，矿井提升机作为一个复杂的典型的机电一体化设备，其安全保护和运行控制是密切相关，互相制约的，仅就某一个或几个方面的性能进行改善往往并不能达到预期效果。因此，开展矿井提升机的多目标优化控制的研究十分必要。
本文针对矿井提升机运行过程和安全保护的特点，设计一种面向高效、节能、安全保护等多目标的矿井提升机优化控制系统。
1 控制系统构成
在矿井提升机控制系统设计过程中，将系统的安全保护与运行控制有机地结合起来，在控制装置中通过微处理器协调控制，统一管理，既能提高电机运行的性能，又能保障系统的安全运行，达到高效、节能、安全和节约制造成本等目的。本系统主要由控制器、加速度传感器、张力传感器、旋转编码器、过卷过放检测器、液压制动器、变频调速器、欠压过载保护器和彩色显示器组成。整个系统将实现如下三个方面的功能。
1）提升机运行状态监控部分由加速度传感器、张力传感器、旋转编码器等组成，实现箕斗运行的加速度、速度、钢丝绳张力的实时采集。当箕斗加速度、速度和张力超标时实现安全保护。
2）提升机的安全保护部分由过卷过放检测器、欠压过载保护器等组成，实现提升机运行异常的检测，当可能发生过放过卷及出现欠压或过载等情况时，实现安全保护。
3）提升机运行控制部分由变频调速器和液压制动器组成，由控制器输出提升运输的五段速度，经交-交大功率变频调速器控制提升主电机，实现提升机的运行；当出现异常状况时由液压制动器紧急减速或制动。
2 控制器硬件设计
控制器mcu选择晶宏科技的stc12c5a60s2单片机，这款单片机功能强大，有8路10位精度ad采样功能，可实现加速度传感器和张力传感器的信号采集；有7路外部中断i/o，可采样旋转编码器的脉冲信号以实现提升机运行速度的检测；有2路pwm可实现d/a功能以控制变频器。另外，过卷过放信号、欠压过载信号和液压制动器控制信号等属于开关量，可由此单片机的普通i/o口采集。
该单片机的ttl电平串口经max232芯片转换成rs232电平，由9针串口接至彩色显示器，以实现人机界面功能。
由于提升机运行电磁环境恶劣，控制器的输入输出信号全隔离，以提高系统的抗电磁干扰能力。开关量输出信号采用欧姆龙继电器驱动，耐20a电流冲击。
控制器电路由作者设计并进行了pcb布线，委托深圳精敏数字机器公司加工制作而成，如图2所示。
3 系统软件及控制策略设计
系统软件实现箕斗加速度、钢丝绳张力等模拟量的采集，变频调速器模拟量的输出，过卷过放信号、欠压过载信号和液压制动器控制信号等开关量的采集，通过i/o口外部中断编程实现旋转编码器脉冲信号的采集。
彩色显示器人机界面和单片机通讯采用modbus协议，由c语言编写程序实现，能将提升机运行状态、安全保护
况以及电机运行频率等信息显示在屏幕上，供操作人员查看。
控制策略设计是本控制系统软件的一个难点，既要实现提升运输的5段速度图并保证最快的运行速度，又要在兼顾效益的情况下设计安全保护的裕度。
4 结束语
本文提出了提升运输多目标优化控制方案，并设计了控制器。经模拟实验和现场试验表明，本优化控制系统能提高提升运输的性能及运行安全性。
参考文献：
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文章编号：1672-9498（2016）04001505
摘要：为促进港口向低碳、高效的目标迈进，并兼顾港口自身发展及其社会责任，从能源消耗、碳排放和成本控制等3个角度出发，建立港口节能减排建设方案多目标优化模型.将模型运用到连云港港口节能减排项目的优化与分析中，利用GAMS软件进行模型求解，得到综合效益最优时项目的建设时序和规模.结果表明：建设期结束后，该方法可使连云港港口每年节省标准煤6 526.64 t，减少CO2 排放39 390.22 t，获得4 922.38万元的节能减排综合效益；运营两年后即可收回建设成本.
关键词：
低碳港口； 节能减排； 多目标优化； GAMS
中图分类号： U651 文献标志码： A
0引言
交通运输业是能源消耗大户之一，我国政府十分重视交通运输业的节能减排工作.港口作为水路运输的基础设施，是低碳交通运输体系的重要组成部分.交通运输部印发《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015―2020年）》，提出以减少污染物排放为核心，以完善法规、标准、规范为基础，以推进排放控制区试点示范为抓手，依法推进船舶与港口污染防治工作，努力实现我国水运绿色、循环、低碳、可持续发展.相关政策制度不够完善，节能减排技术推广困难以及节能减排评价体系行业标准缺失，导致我国港口的节能减排任务艰巨、形势严峻.对绿色低碳港口改造的合理规划有利于港口向低碳、高效的目标迈进，推动交通运输业可持续发展，其社会意义深远.
早期港口的粗放式发展靠的是能源资源的高投入、高消耗，对生态环境造成了极大的破坏.后来人们开始了对绿色低碳港口的研究，许多国家把低碳理念运用于港口发展中.GOULIELMOS[1]通过总结欧洲地区港口环境保护政策，提出港口环境保护要从运输和海洋环境两方面进行论证，研究港口环境问题及产生原因，并指出港口成本应纳入环境成本；TICHAVSKA等[2]从拉斯帕尔马斯港废气排放角度出发，分析港口的外部成本和生态效率指标，研究结果结合港区运行情况可用于评估港口城市的减排量；ODUM等[3]通过对港口生态工程的研究，把生态设计因素加入到港口的规划设计和建设运营中，使得港口环境与社会经济协同发展.目前国内港口节能减排相关研究主要集中在节能减排评价体系、主要技术、效率研究等方面.姜海洋[4]、莫琪琪[5]、刘捷等[6]、陈敏慧等[7]从管理体制、工艺技术、新技术开发和节能减排效果等角度构建了港口节能减排综合评价指标体系；李海波等[8]和刘洪波等[9]归纳总结了绿色低碳港口建设的主要技术，并分析了其应用效果、推广的制约因素和解决途径；邵超峰等[10]、刘砚津[11]和耿东耀[12]从优化装卸工艺流程、采用高精尖节能减排技术、降低设备能耗等层面开展节能减排效率研究；赵雅倩等[13]以经济效益和环境效益为目标建立01整数规划模型，并通过Excel软件求出最优解.综合来看，国内少有学者从港口节能减排建设方案规划的角度科学合理地安排港口节能减排项目建设规模和时序以兼顾环境与经济效益.
鉴于此，本文从能源消耗、碳排放和成本控制等3个角度出发，对港口节能减排项目建设与投资进行多目标规划，利用GAMS软件进行优化求解，提出港口节能减排建设优化方案.
3结论与展望
长期以来，港口节能减排建设缺乏科学合理的规划，往往仅从投资成本角度考虑项目建设规模和时序.本文重点从能源消耗和碳排放这两个影响环境的重要因素入手，同时兼顾投资成本因素，构建节能减排项目的建设规模与时序的优化模型，并将模型运用到连云港绿色低碳港口的优化与分析中.采用GAMS软件求解得到建设方案.根据该优化方案可以得到：建设期结束后，连云港港口每年能节约标准煤6 526.64 t，减少CO2排放39 390.22 t，获得节能减排综合效益4 922.38万元，运营两年后即可收回建设成本.
当然，本文构建的模型尚有不足之处，如不能体现建设项目的规模效应，项目建设时间以年为单位不够精细化等，与实际建设方案仍存在一定差距.这有待在后续的研究中进一步改进.
参考文献：
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关键词：遗传算法；永磁屏蔽电机；优化设计
1 引言
石化行业使用的永磁屏蔽电机具有效率高、反应速度快以及低速大转矩的优势，大大拓宽了屏蔽泵的应用前景。但由于电机在定子内腔和转子外表面各用一层非磁性不锈钢薄套将定子和转子部分屏蔽起来，而且它所使用的稀土永磁材料在电机成本中占有一定的比例[1]。因此从优化设计角度研究一种既能满足特殊工况要求，又能减小磁钢用量的永磁屏蔽电机，具有十分重要的应用价值。
永磁屏蔽电机优化设计的目标函数和约束条件均为设计变量的非线性数值函数和多峰值函数，因此采用传统的优化方法很难从根本上解决电机优化设计中的全局最优解问题。遗传算法[2]是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。该算法能较好地解决了控制参数的动态自适应性及较优值如何重复迭代等在优化设计中影响收敛速度和最终优化结果的问题。
文章将遗传算法引入到永磁屏蔽电机的优化设计领域，并结合永磁屏蔽电机的设计特点，对一台5.5kW的永磁屏蔽电机进行优化设计，提高了屏蔽泵的输出性能。
2 永磁屏蔽电机优化设计模型
2.1 设计变量
然后再将这些新生成的子群体合并成一个完整的群体，在这个群体中进行交叉和变异运算，最终可求出多目标优化问题的Pareto最优解。由于权重系数的随机性，算法将得到多个不同权重系数下的优良解，因此保证了群体中对应搜索方向的多样性和最终优化结果的准确性。
3.4 约束条件的处理
永磁屏蔽电机的约束主要是不等式约束，但遗传算法是无约束优化方法，因此需要将有约束优化问题转化为无约束优化问题。罚函数法是处理非线性约束优化问题比较广泛的一种方法，尤其是在对解空间中无对应可行解的个体计算其适应度时，可以降低该个体的适应度，从而使该个体被遗传到下一代群体中的概率减小。
5 结束语
文章应用遗传算法对永磁屏蔽电机的永磁体体积和电机效率两个目标进行了多目标优化设计，得到优化后的具体结构和性能参数。
（1）与传统算法相比，遗传算法能同时搜索解空间中的许多点，且搜索过程是通过适应度函数来实现对群体中的个体进行优胜劣汰操作，因而能较大概率地获取全局最优解。
（2）针对多目标工程优化问题，文章采用统一目标法中的线性加权和法和罚函数法对永磁屏蔽电机的多目标问题进行优化，减少了永磁体用量，并且提高了电机效率。
参考文献
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【关键词】多目标优化；永磁无刷直流电机；NSGA-Ⅱ；粒子融合
1.前言
电机的优化设计技术是在满足国家标准、用户要求以及特定约束的条件下，使电机效率、体积、功率、重量等设计性能指标达到最优的一种设计技术，被描述为一个有约束、多目标、多变量以及多峰值的复杂非线性问题，属于典型的多目标优化问题。永磁无刷直流电动机的优化设计中，由于电机磁路中导磁材料磁化曲线的非线性及电枢反应的非线性，决定了其目标函数、约束函数多为非线性程度很高的数值函数，使其优化设计的难度更大，因此选择适合于永磁无刷直流电机的优化设计方法是优化设计能否成功的关键[1]。
人们一直致力于探寻非线性的电动机的优化数学模型，以期得到全局最优解及其优化算法，电机优化设计方法经历了以单纯形法、可变容差法、梯度法为代表的传统方法到以模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法等全局优化算法为代表的新型优化算法[2]。近年来，有研究将全局优化算法与直接搜索法相结合的混合寻优策略应用于某些类型电机的优化设计，如将遗传算法和模拟退火算法相结合，充分利用了遗传算法全局搜索能力强而模拟退火算法局部搜索能力强的优点，成功地进行了长定子同步直线电动机的优化设计[3]。有研究将多种优化算法综合，引入电机优化中，如先应用模糊优化设计算法建立电机的优化设计数学模型，再利用Tabu算法对目标函数进行优化，减少电机体积和设计时间，提高电机的力能指标[4]。
但是，目前流行的各类随机优化方法和确定性优化方法远没有完美地解决避免陷入局部最优解的问题[，并且优化搜索的收敛速度缓慢，不能令人满意，迫切需要探索新型的优化算法[5][6]。本文提出了基于粒子融合机制的改进NSGA-Ⅱ，并将其应用于永磁无刷直流电机的优化设计，实验结果表明与以往的电机优化方法相比，这种新型优化算法建立的电机优化模型在全局优化搜索和收敛速度方面有很好的优势，具有重要的指导意义。
2.算法描述
精英非支配解排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）最早由印度研究人员Srinivas和Deb提出，是近年来最有效、最流行的多目标进化算法[2]，它在解决多目标优化问题上具有独特的优势，但采用的交叉算子搜索性能相对较弱，在一定程度上限制了算法的搜索性能，使得NSGA-Ⅱ在收敛速度和多样性保持方面仍需改进。而粒子群优化算法是一种基于群体智能的演化算法，具有更快的收敛速度，这就为本文设计一种新的基于粒子融合机制的改进NSGA-Ⅱ算法提供了现实的可行性。
2.1 基于粒子融合的NSGA-Ⅱ算法
考虑到在NSGA-Ⅱ中是按二进制随机竞赛选择方法选择用于产生后代的个体，而MOPSO中选择外部档案中最佳的个体作为leader时具有较快收敛速度，按如下折中方法从父代群体中选择leader。如果则选择父代群体中程度最大的个体，否则基于拥挤程度按二进制随机竞赛选择方法从父代群体中选择。其中，为选择父代群体中拥挤距离最大个体的概率，rand为[0，1]间的随机数。
2.1.2 粒子融合NSGA-Ⅱ的算法流程
本文算法流程描述大致如下[7]：
第一步：产生N个初始父代种群Pt并按比例经交叉变异形成N个子代种群Qt；
第二步：组合父代种群Pt和子代种群Qt为种群Rt，并对Rt中个体进行非支配排序，确定Pareto前沿F1；
第三步：计算F1中单个个体的局部拥挤距离，并删除F1在目标空间重叠的多余个体；
第四步：先排除F1中极端个体，再将其他个体按拥挤距离从大到小排列；
第五步：按步骤二、三、四的结果依据拥挤距离选取N个个体作为新的父代种群Pt+1；
第六步：对于子代群体Qt的每个个体（粒子），根据差异问题解决策略，选择父代种群Pt+1中拥挤距离最大个体或者基于拥挤距离按二进制随机竞赛选择方法从父代群体Pt+1中选择粒子的leader，同时按式（3）更新个置，对位置更新后的Qt中所有个体各基因座按变异概率Pm进行NSGA-Ⅱ中的多项式变异，得到子代群体Qt+1；
2.2.3 优化结果分析
用本文设计的优化算法对一台270V，10kW，10000r/min的永磁无刷直流电动机进行优化设计计算。在满足额定技术要求的前提下，优化目标定为对体积、重量、转动惯量、效率4项，并与优化前以及一般遗传算法优化的结果进行对比，运算优化结果如表1所示。通过表1对比可见，在满足技术要求的条件下，电动机本体的长度、质量、电动机的功率密度、转子外径、空载转速和额定转速以及转子转动惯量等电机因素比优化前和用一般遗传算法优化都有一定程度的改善。
以永磁无刷直流电机的效率为例，验证分析本文算法在永磁无刷直流电动机优化上的可行性和优越性。针对永磁无刷直流电动机的特性，设电机系统效率为，且=/，其中，分别为电机轴端输出功率与电机逆变器的功率，采用简化方法求出功率器件等效模型粗略估算出逆变器的损耗，最后算出电机系统效率。在仿真实验中，取最大进化代数为60，=0.85，采取线性动态变化，最小为0.04，最大为0.2，群体规模即融合粒子的个数为100，仿真结果显示电机效率比单纯的使用NSGA-Ⅱ遗传算法提高了近5%，如图1所示。永磁无刷直流电机的其它优化问题可以类似地推出相应的目标函数，设计初始种群和遗传操作算子，最终通过计算机仿真用本文的算法得出优化后的Pareto最优解，这里不再作详细讨论。
3.结束语
本文在多目标遗传算法NSGA-Ⅱ的基础上，设计了一种基于粒子融合机制的改进NSGA-Ⅱ，用多目标粒子群优化算法中的粒子位置更新模式替代搜索性能相对较弱的交叉操作，成功的解决了两种优化算法的差异问题，应用到永磁无刷直流电动机的优化设计中，在较大范围内搜索解空间，并能以较快的收敛速度提供解空间内分布均匀的Pareto最优解集，解决了电机的非线性优化设计问题，通过优化设计，在满足技术要求情况下，电机的体积、转子转动惯量和机电时间常数均减小，质量减轻，功率重量比提高，提高了电动机的使用效能，为永磁无刷直流电动机设计者提供了决策依据，具有较大的参考价值。
参考文献
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作者简介：
关键词：矿上支护设备；多目标优化；多学科设计；研究
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.087
矿山支护设备是煤矿行业发展不可缺少的元素，而液压支架设计过程中显现出一定的弊端，急需系统解决，在参数上给予更高的要求，从而降低定媒及媒帮难度。文中从矿山支架设备协同遗传多目标设计层面进行分析，确定完善协同遗传算法。
1 协同遗传算法
1.1 算法原理
针对遗传算法而言，其在计算过程中并不需要诸多数学的必要条件，就能处理不同类型目标函数，并且进行一定的约束。因为算法进化本质，遗传算法能够作用于搜索解，而在此过程中无需考虑内部问题。
所谓协同化处理，主要是作用于两个，或是两个以上不同物种之间，而其中某个物种进化，势必会对其它物种产生影响。而针对协同进化算法而言，基本上采用多个种群，而对于不同的物种来说，它们代表着问题解的部分内容，而且在组合形式上具有比较完整的解。
1.2 算法框架
矿山支架设备在矿山开采过程中发挥着非常关键的作用，其相应的液压支架，从本质上分析归属于多目标多学科进行设计，由此，需要利用多学科设计原理，按照算法框架进行求解。针对液压支架来说，涵盖的结构设计主要有以下力学知识，如静力学、动力学等，根据上述因素可以对其进行分类，分解成两个子系统。而对于两个子系统来说，在协同运行并行的前提下，施以并行算法框架。
这种算法框架在实际应用中显现出自身的优势，其与多学科设计优化具有异曲同工之妙，并行施以协同优化处计算，从某种程度来说，两者都属于并行处理策略，然而这种算法框架在应用过程中较为便利。
2 优化参数和模型
液压支架模型设计需要根据相关的参数设计才能得以不断优化，协同设计过程中，并不涵盖设备选型设计，主要针对已经存在的设备实施优化处理，在结构上不断完善。在结构设计中，针对每一次的迭代，都能表现出较为准确的装配关系，并且根据动、静力学原理，继而构建简化模型，而对于运动相关的副连接，对其进行有效的简化，主要是对重点与顶梁，还有底座实施应力应变分析。
从结构设计过程需要，液态支架模型具体可以分为以下几种：即静力学、动力学仿真，并且根据与此对系统进行划分，形成两个子系统。
结构尺寸变量总计是21个：X=（x1，x2，…，x21），上述量属于支架不同结构尺寸。
静力学子系统，其局部变量有ld、b、l0；状态变量和函数是Ky，A0Ld属于顶梁两纵之间，铰接点的距离，m；b属于顶梁横向之间，铰接点的距离，m；l0是顶梁至底座之间的距离，m；Ky属于静刚度；A属于支撑面积，m2。
动力学子系统，其局部变量是b，h；状态变量是Δlz，Δlf。b、h、Δlz、Δlf：顶梁横向铰接点距离，支撑高度、顶梁前端轨迹变化、顶梁中部轨迹变化情况。
约束条件：立柱支撑，其俯仰角度是以下范围之内，即50°≤a≤70°。
3 结果分析
根据上述研究可知，优化设计取得了相对较好的效果，这主要体现在以下几个层面：如目标函数，其顶梁运动轨迹曲线变化情况、四连杆机构，对其受力大小的分析、底座质量、底座应力应变等，相较于传统计算模式而言，具有非常显著的变化。从优化设计前后的结果反馈可知，优化设计之后的效果显著，这主要体现在受力情况分析上，底座最大应力发生了变化，而且应力应变情况也发生了变化，但是底座质量优化设计之后并没有表现出一定的优越性。
矿山支护设备在应用过程中显现出的弊端是急需解决的问题，重点解决方向是液压支架问题，表现显著的是前后部输送机问题，需要改善其防滑锚固问题。
4 结语
综上所述，液压支护设备在矿上开采过程中具有广泛的应用性，对支架设计部分进行优化处理必然能够达到良好的效果，根据运动力学，施以性能优化设计，从而改善支架性能，优化其受力情况，并在此基础上进行多学科构建，最终促使矿山支护设备能够获得最佳的设计效能。
参考文献：
[1]康金箭.湿喷混凝土在矿山支护工程中的应用[J].矿业工程研究，2014（04）.
