关键词： 柔性作业车间调度问题   改进遗传算法   邻域搜索  

摘要： 我国是一个制造业大国,制造业发展水平反映了我国的生产力水平。作为制造系统基础的生产车间调度,其问题的优化就自然成了现代制造技术的核心,也是实现企业生产高效的关键技术。然而,很多配电箱生产企业存在着作业车间调度管理效率低下、现有调度策略性能不稳定、易受管理者经验影响、容易陷入局部最优解等诸多问题,急需引入更科学、更高效的生产调度管理模式,以提高作业车间调度效率,优化企业生产端管理性能,为企业降本增效和行业综合发展提升做出积极贡献。本文在深入研究了国内外车间调度问题及遗传算法等相关理论与方法的基础上,针对遗传算法的算法过程进行改进,引入变邻域搜索策略,并以ZD公司配电箱车间的调度案例进行实证仿真。论文主要包括以下三方面的内容:首先,本文将遗传算法用于优化离散型生产的柔性作业车间调度问题(FJSP)。在遗传算法中,每个解决方案由一条染色体表示,染色体经过选择、交叉、变异三种遗传算子,在触发终止条件时输出最新子代染色体,即为优化后的解决方案。针对传统遗传算法收敛速度慢等问题,本文提出一种改进的变邻域搜索混合遗传算法(HGA-VNS),改进后的染色体由两部分组成,第一部分是依据加工机器选择进行的编码,第二部分是依据加工工序进行的编码。其次,本文针对FJSP从两方面进行算法改进。第一,从遗传算子角度提出一种交叉和突变算子组合方法改进基本遗传算法中的遗传算子。第二,采用析取图法识别出关键路径,确定关键路径上的关键步骤,引入邻域搜索策略改进算法。最后,论文基于构建的算法模型,运用HGA-VNS模型进行数据仿真,并引入ZD公司配电箱作业车间调度进行实证研究。通过将所提出的HGA-VNS模型应用于优化企业的实际FJSP,并与现有的调度方案比对。最终数据结果表明,优化调度方案最优案例的完工时间降低了26%,HGA-VNS可以获得更高效、更经济的解决方案。因此,HGA-VNS在解决加工系统中柔性作业车间问题方面具有有效性,其性能优于传统遗传算法,更明显优于ZD公司采用的现有生产调度方案,具有一定的理论研究价值和实际应用价值。图[35]表[12]

摘要： ~~

关键词： 机械设计   限幅振动   分岔   转迁域   颤振冲击  

摘要： 建立了一类含有多刚性限幅约束的两自由度受迫振动系统的力学模型。结合系统周期和冲击Poincaré映射，在双参数系内识别出周期冲击运动的模式多样性及其发生域。伴随不连续的擦切分岔，在相邻单周期冲击运动分布域的临界线上存在一系列奇异点、迟滞和舌形转迁域。根据动力学参数的采样范围，分析了极端质量分布工况下振动系统的动态响应。仿真结果表明：在低频区域的单周期冲击运动序列随频率递减，经连续的擦切分岔、滑移分岔等非光滑分岔行为，存在向非完全颤振冲击、完全颤振冲击转迁的形成规律。冲击瞬时的能量损失过大会导致粘滞现象，从而改变振动系统的原结构，降低系统自由度。由于多处刚性约束完全颤振冲击的同时作用，系统在极端参数控制域内会呈现短暂的停滞状态。

关键词： Energy utilization  

摘要： In the face of current serious environmental issues, green manufacturing is attracting much attention. In addition, distributed manufacturing has become increasingly common with the development of globalization. Given a distributed manufacturing environment, we study the distributed green scheduling problem to simultaneously optimize both economic objectives and green objectives. During practical manufacturing processes, the transportation times of jobs between different machines cannot be ignored. Accordingly, this paper proposes a cooperative memetic algorithm to solve distributed green flexible job shop scheduling considering the transportation time (DGFJSPT) to minimize the makespan and total energy consumption. First, the problem is decomposed into two sub-problems, i.e., operation sequence and machine assignment. Second, several problem-specific search operators are designed. Third, a hierarchical cooperative optimization scheme is designed for the two sub-problems, including an information interaction-based search for the operation sequence and a Q-learning-based search for the machine assignment. Then, a solution selection strategy based on decomposition is used to balance the convergence and diversity. In addition, local intensification and an energy-saving strategy are used to further improve the performance. Numerical experiments are then carried out based on different benchmarking sets, and the results demonstrate the effectiveness of the specific designs. The comparisons indicate that the proposed algorithm is more effective than existing algorithms in solving the DGFJSPT problem. © 2023 Chinese Academy of Sciences. All rights reserved.

关键词： 柔性作业车间调度   离散粒子群算法   模拟退火算法   变邻域搜索   动态调度  

摘要： 随着制造业的不断发展,品类多、批次小的柔性作业车间生产方式逐渐成为主流。柔性作业车间调度问题是一种复杂的组合优化问题,然而传统方法,因求解速度慢、求解大规模问题能力差等缺点,致使其不适合用于此类问题的求解。基于以上描述,采用改进的离散粒子群算法对其进行研究,主要内容如下:(1)针对优化目标是订单完成时间最小的柔性作业车间调度问题,提出一种新型混合离散粒子群模拟退火算法进行求解。设计一种非线性的自适应权重,来更好的平衡离散粒子群算法的全局和局部搜索性能;融合模拟退火算法的思想,设计两种邻域结构,对种群中的部分粒子进行局部勘探,帮助算法跳出局部极值。通过求解测试算例,并与其它算法对比,验证了混合算法的性能。(2)针对优化目标是订单完成时间、最大机器负荷以及机器总负荷最小的多目标柔性作业车间调度问题,设计一种适用于该问题求解的新型改进离散粒子群算法。首先,在离散粒子群算法中融合Pareto相关理论使之能够用于多目标问题的寻优中去;其次,重新设计种群初始化方式、解码策略;然后,提出一种新的个体最优以及全局最优粒子的更新策略;然后,融合变邻域搜索策略的思想,设计三种邻域结构,来进行局部勘探,提升所求得全局最优解的质量;最后,通过实验验证了该算法求解多目标问题的有效性。(3)考虑了动态事件下的重调度问题,例如机器故障、订单加急,并对扰动事件下的柔性作业车间问题进行重调度研究。通过几组实验,验证了该算法求解动态事件下重调度问题的可行性。

关键词： 并联机构   机械设计   动力学参数   雷达承载平台  

摘要： 随着科技和市场的发展，对并联机构的应用研究越发深入及广泛。并联机构种类繁多，性能优异，能够很好的满足作为承载平台机构所需实现的性能指标要求。本课题对应用于雷达承载平台的四自由度型少自由度并联机构进行了机构学分析与设计研究，重点实现了对机构学关键参数的尺度综合优化设计及虚拟样机仿真。　　首先，根据承载平台机构的应用场合及设计自由度要求，确定出了机构所需实现的末端输出运动特征维度，然后借助基于GF集合的并联机构型综合设计理论完成了构型的选型设计及结构布置。　　在 4PUS/PS 机构上建立了恰当的动静坐标系并以此为基础推导出了各运动参数之间的变换关系，求解出了机构的运动学逆解模型。　　选用凯恩方程法建立了4PUS/PS型并联机构的动力学方程，为后续利用MATLAB软件通过给定运动实例求解在负载情况下所需的驱动力变化提供了准备工作。　　分析建立了工作空间求解的相关约束模型，而后应用降维处理的方法研究了在给定位移变量后的末端输出转角工作空间。　　选用运动学性能评价指标作为优化目标，应用基本及两类改进粒子群优化算法在MATLAB 环境下搭建了机构尺度综合优化模型分别求解出了最优尺度参数，完成了尺度综合优化设计。　　在 SOLIDWORKS 环境下建立了 4PUS/PS 机构的虚拟样机模型，而后分别借助MATLAB工具及ADAMS工具完成了机构虚拟样机的仿真分析。完成了在ADAMS环境下的基于轨迹规划的动力学仿真分析。通过仿真分析对比验证了机构的运动学及动力学参数，并描述了误差产生的原因。分析了带有隔振基座的系统的隔振性能表现。

关键词： 分布式柔性作业车间调度   多目标优化   改进的NSGA-Ⅱ算法   工件转移   紧急事件  

摘要： 车间调度是大多制造业企业较为关注的问题,特别是多工厂/车间协同、遇到紧急事件突发等情况时,如何调整调度资源,从而满足订单生产计划是极其重要的。这类情况属于分布式柔性作业车间调度问题(Distributed Flexible Job shop Scheduling Problem,DFJSP),但类似研究相对较少,河北G公司在实际生产中就常出现这种窘境。基于该公司的复杂生产情形,设计了考虑工件转移的多目标DFJSP(Distributed Flexible Job Shop Scheduling Problem with Multiple Objectives and Job Transfer,MT-DFJSP)数学模型,以及基于紧急事件的多目标DFJSP(Distributed Flexible Job Shop Scheduling Problem with Multiple Objectives and Dynamics,MD-DFJSP)数学模型。又以NSGA-Ⅱ算法为基础,提出了针对它们的各自改进算法。还进行了相应实验验证及比较。本文主要研究内容如下:(1)构建了考虑工件转移的最大完成时间、最大工厂负荷和总能耗优化的MTDFJSP模型,并设计了一种改进NSGA-Ⅱ算法。该算法针对GLR初始化方法未考虑能耗对初始解质量的影响,设计了基于能耗的EGLR1方法;针对NSGA-Ⅱ算法仅由变异进行局部搜索操作,为快速得到最优解,基于工厂分配层编码,机器分配层编码和工序排序层编码三层编码,设计了对应邻域搜索结构;为避免优良个体基因在遗传操作中被破坏,建立了精英库保存较优染色体。结合G公司车间调度与Brandimarte算例,构建了45个MT-DFJSP算例。通过仿真实验,证明80%的MT-DFJSP算例下改进NSGA-Ⅱ算法优于传统NSGA-Ⅱ算法。(2)构建了考虑突发事件的最大完成时间和总能耗的MD-DFJSP模型,以前述改进算法为基础,修改工厂分配层编码的生成规则,设计了EGLR2方法,同时改变了对应的交叉和变异算子。当机器故障时,使用单一重调度技术会出现重调度方案不确定性增加,故使用右移重调度和完全重调度混合的重调度策略生成重调度方案;当订单插入时,为避免订单插入到关键工厂导致完工时间过大,将订单分配到非关键工厂,高优先级订单使用右移重调度,其余订单使用完全重调度,生成对应工厂的重调度方案。在MD-DFJSP的三种紧急事件下,该方法均能够根据初始调度方案生成重调度方案,且对最大完成时间和总能耗影响较小。(3)结合G公司实际生产,设计并实现了基于G公司的生产调度系统,满足了G公司的车间调度需求。

关键词： 智能制造时代   机械设计基础   课程教学   革新  

摘要： 如今，我国正处于转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻坚时刻，随着智能制造战略的推行与智能制造时代的到来，社会对机械制造领域的人才需求也发生了转变。从本质上讲，制造的核心是制造，而制造的前提正是设计。因此，机械设计专业的人才培育，已成为实现智能制造战略的重要举措。基于此，文章讨论了立足智能制造时代背景下，机械设计基础课程教学改革的方法与策略，旨在为社会培养更优秀的创新型人才、复合型人才，为智能制造战略的实现贡献力量。

关键词： 石墨烯   Zeta电位   土壤胶体   养分吸收   植物生长  

摘要： 将纳米材料应用到农业种植领域已受到广泛关注,石墨烯作为重要的纳米材料之一,其表界面效应、小尺寸效应以及强吸附性在各应用领域具有重要作用。近年来,将石墨烯应用到农业领域受到广泛关注,主要以种子萌发、植物理化性质以及毒性等方面为研究热点。而土壤作为胶体,是养分的主要载体,如今土壤养分流失和利用率低已成为当今亟待解决的问题,石墨烯因其小尺寸效应、吸附性强以及比表面积大的特性,能够改善土壤持肥性能。本文将不同浓度的石墨烯添加至土壤中,研究土壤胶体的Zeta电位、土壤养分、土壤结构以及植物对养分的吸收,利用双电层理论和胶体稳定性分析石墨烯对土壤养分浓度变化影响。本文主要研究结果如下:1.用拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度仪对石墨烯的性质和结构进行表征,使用纳米材料及Zeta电位仪对添加了石墨烯的土壤胶体进行检测,浓度为50 mg/L的石墨烯土壤胶体Zeta电位值提高了16.59%。利用双电层理论及胶体稳定性理论分析石墨烯养分增效原理,结论为:石墨烯的π键与阴阳离子具有相互作用,强吸附性使得土壤中养分聚集在石墨烯附近,增大了土壤颗粒扩散层厚度,提高了局部胶体的离子浓度。2.在淋溶实验中石墨烯表现出优异的保肥性能,用浓度20 mg/L和50 mg/L石墨烯处理过的土柱,中上层中氮、磷、钾元素保留量比其他实验组多,在上层土壤G20组中氮元素提高47.6%,G50组磷元素提高19.89%。结果表明:石墨烯分散至土壤中能减少养分随水分的流失,将养分吸附在土壤上层,起到缓慢释放肥料作用。3.利用拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、激光粒度仪对淋溶结束后土壤中石墨烯分布、土壤形貌以及土壤微团聚体进行表征,结果表明:石墨烯能通过浇灌的方式分布在土壤的不同土层中。土壤的SEM图和能谱图表明石墨烯与周围土壤颗粒汇聚成小块状结构,促进了土壤块状结构的形成。石墨烯提高了土壤平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD),分别提高了30.7%和25.1%,说明石墨烯通过增强土壤微团聚体结构的形成从而提高抗侵蚀能力和土壤的保肥持肥能力。4.石墨烯用于辣椒和香葱的实际种植中,测量植物的形态变化,使用土壤肥料养分检测仪检测植物对养分的吸收量。结果表明:适宜浓度石墨烯(20 mg/L-50 mg/L)对辣椒株高提高了28.81%,根长提高了89.47%;香葱的株高提高了28.21%;植体内氮元素提高了79.28%和108.24%,磷元素提高了47.93%和50.90%,钾元素提高了9.19%和10.19%。辣椒的根系发育茂盛,根系表皮未见破损;根系内部未检测出石墨烯的累积。根据石墨烯增肥机理,设计一款适用于添加石墨烯的施肥机原理结构。

关键词： 生物炭还田   离散元仿真   机械设计   参数优化  

摘要： 生物炭（Biochar）的生产与利用逐渐成为新兴的研究热点,目前关于生物炭如何还至土壤、如何更好的还田这类问题鲜有研究。当前生物炭还田的主要方式较为简单但费时费力,并且还田效果较差。本文研究设计了一种生物炭还田机,以不破坏土壤结构、不对土壤进行大规模的翻动、开沟—还田—压土作业一体化为设计要求,以生物炭还田的均匀性、炭的还田量、还田深度为整机设计的性能参数,设计符合东北地区实地情况的生物炭还田机械。具体研究内容与结论如下: （1）生物炭颗粒离散元参数标定。测量生物炭颗粒的物理特性值,并以测定的颗粒堆积角为目标值,通过P-B试验、最陡爬坡试验和B-B试验得到生物炭颗粒接触参数最优组合值。结果表明,测定生物炭颗粒的实际堆积角为23.65°,接触参数最优化组合为炭-炭滚动摩擦系数0.36、炭颗粒表面能0.30、炭-钢滚动摩擦系数0.20,在此接触参数组合下仿真得到的堆积角23.48°,与实际测定值相对误差为0.72%,满足误差要求。 （2）生物炭还田机的设计。对生物炭还田机整机进行了设计并确定了其性能参数,即生物炭还田量3.2-8.4t/hm2、还田深度2-10cm、炭量均匀性变异系数恒定小于30%;设计了生物炭还田机系统,包括动力系统、排炭系统;设计并校核了关键零部件,包括主体机架的设计与强度校核、压土装置的设计、开沟还田铲的设计与力学分析。 （3）生物炭还田机的优化。根据参数标定得到的最优化接触参数组合,采用离散元软件Rocky建立还田工作过程的离散元仿真模型,以生物炭炭量均匀性变异系数为试验指标,进行单因素和多因素试验。结果表明:出口距离、导管直径和挡板夹角的取值单独变化对炭量均匀性变异系数的影响显著,并且在出口距离为65.19mm,导管直径为25.29mm,挡板夹角为30°时,炭量均匀性变异系数可达到最优值28.622%。 （4）验证试验研究。以最优参数组合加工制造生物炭还田样机,并在不同速度下参照仿真试验流程进行实际操作试验,结果表明:还田机可以满足机械性能参数要求,还田量可达到6.5t/tm2,还田深度可达到5cm,炭量均匀性变异系数的平均值为27.88%,与仿真试验结果的相对误差为2.59%。 本文研究以仿真试验为主要方法,基于离散元仿真分析,设计了满足性能需求的生物炭还田机械,可为生物炭产业发展提供参考。