Gear optimization design based on genetic algorithm and efficient global optimization

拉丁超立方体抽样 克里金 全局优化 数学优化 稳健性(进化) 采样(信号处理) 替代模型 计算机科学 遗传算法 元优化 最优化问题 趋同(经济学) 多目标优化 自适应采样 稳健优化 元启发式 无导数优化 过程(计算) 点(几何) 算法 样品(材料) 工程设计过程 优化算法 数据点 工程优化 连续优化 多群优化 优化设计 工程类 传输(电信) 模拟退火
作者
Cao Tong,Xiao Dong
出处
期刊:Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science [SAGE Publishing]
卷期号:239 (24): 9868-9889
标识
DOI:10.1177/09544062251376209
摘要

To address the optimization problem of complex gear parameters, this paper proposes a novel genetic algorithm-enhanced efficient global optimization method. Firstly, obtain initial sampling points through latin hypercube sampling (LHS) and construct a Kriging surrogate model. Subsequently, a genetic algorithm (GA) is employed for global exploration to identify the sampling point with the maximum expected improvement (EI) value. On this basis, local exploitation is used to refine the search results. The EI value of the new sampling point is evaluated and incorporated into the sample set, updating the surrogate model to enhance prediction accuracy. Finally, this process is repeated until convergence criteria are met, yielding the optimized results. In theoretical case studies, optimization of the Hartman3 and Hartman6 functions demonstrates that the proposed algorithm outperforms other surrogate-based optimization methods, such as EGO, GA-ANN, and GA-RSM, in terms of global optimization efficiency and accuracy, while exhibiting high robustness across multiple runs. Furthermore, leave-one-out cross-validation (LOOCV) confirms the high accuracy of the Kriging model’s predictions compared to true values in the global optimum region. When applied to the optimization of a planetary gear train, the gear train volume is reduced by 15.1%, and the failure probability is also decreased, highlighting the method’s ability to balance system lightweighting and reliability. This approach provides an efficient solution for the design of high-performance planetary gear transmission systems, expanding the application potential of surrogate models and global optimization algorithms in mechanical design.
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