機(jī)械結(jié)構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)歷了截面尺寸優(yōu)化、幾何形狀優(yōu)化兩個(gè)階段,近年來隨著計(jì)算技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)正在成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).雖然優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析各自形成了完整、成熟的理論體系,但由于目前在結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化過程中普遍采用邊界節(jié)點(diǎn)控制方法,使得形狀尋優(yōu)方案在有限集合內(nèi)進(jìn)行,這不僅沒有充分發(fā)揮優(yōu)化搜索方法的效率,而且從某種程度上講,所得結(jié)果不一定是最佳結(jié)構(gòu).該文針對(duì)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的研究,主要內(nèi)容包括:結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)過程是

2、在負(fù)載條件下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的過程,該文以初始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力流作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的控制函數(shù),通過幾何描述和拓?fù)涿枋龅姆蛛x,有效地將圖形處理和有限元網(wǎng)格模型相結(jié)合,采用刪除低應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)的基本策略,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)渖?為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作了有益的嘗試,這主要表現(xiàn)在:(1)采用應(yīng)力流控制結(jié)構(gòu)變異的過程,是結(jié)構(gòu)材料承載應(yīng)力均化的自適應(yīng)過程,它以結(jié)構(gòu)重量最輕為目的,不僅可以改變模型的幾何信息,而且能夠改變模型的拓?fù)湫畔?易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的突變;(2)采用單元的刪除

3、和局部單元修正方式,易于算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),加權(quán)圖的方式有效地解決了結(jié)構(gòu)分析中的多因素問題;(3)該方法不要求初始方案在最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)域附近,大大降低了使用這一方法的難度.根據(jù)邊界元方法的特點(diǎn),提出以邊界模型描述實(shí)現(xiàn)形狀優(yōu)化的基本思路,并將邊界元分析方法與結(jié)構(gòu)的幾何形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合,從而達(dá)到描述結(jié)構(gòu)邊界形狀和在尋優(yōu)過程中方便地實(shí)施邊界變化控制的目的.以車、磨床中常用的簡(jiǎn)式隔板床身作為支承大件的分析對(duì)象,以鋼板的焊接結(jié)構(gòu)為原型,通過對(duì)垂直隔板

4、布局的床身動(dòng)態(tài)特性分析,闡述了有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響,討論了床身導(dǎo)軌、墻板以及隔板截面尺寸等幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系.機(jī)床零部件的結(jié)構(gòu)布局和尺寸影響著動(dòng)態(tài)特性,正確定義有限元模型是分析的前提;床身導(dǎo)軌的幾何尺寸不僅對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度、導(dǎo)向精度有影響,而且關(guān)系著床身的動(dòng)態(tài)特性,適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)軌的截面尺寸,可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整床身的固有頻率;床身的厚度與床身固有振型頻率成正比,在保證動(dòng)態(tài)特性的條件下,減少厚度可以大大地降低床身重量.結(jié)構(gòu)件

5、的約束形式與其動(dòng)態(tài)特性有著密切關(guān)系,探討機(jī)床結(jié)構(gòu)件如底座、立柱、床身、橫梁、主軸箱、變速箱等的堅(jiān)固螺釘排由形式對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響,對(duì)于提高機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量,保證機(jī)床的動(dòng)態(tài)加工精度具有重要意義.論文針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件中的筋板特征,提出了以梁模型表示的筋板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,為筋板結(jié)構(gòu)件的幾何形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件.作為動(dòng)力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),就筋板結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)件的靜動(dòng)態(tài)特性影響作了初步分析,并以具體的機(jī)床產(chǎn)品中的大件結(jié)構(gòu)為對(duì)象,闡述了筋板結(jié)構(gòu)對(duì)其靜動(dòng)態(tài)性能的影響