芻議機械結(jié)構優(yōu)化設計發(fā)展

1、<p>　　芻議機械結(jié)構優(yōu)化設計發(fā)展</p><p>　　摘要：隨著計算機技術的飛速發(fā)展和數(shù)值計算方法的廣泛應用，工程設計領域在設計方法和技術創(chuàng)新方面有了巨大的發(fā)展和進步。這也大大推動了現(xiàn)代工程領域的技術進步和創(chuàng)新。優(yōu)化設計就是其中發(fā)展最快的設計方法之一。 </p><p>　　關鍵詞：機械結(jié)構；優(yōu)化設計；發(fā)展 </p><p>　　中圖分類號： S611

2、 文獻標識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　機械優(yōu)化設計是最優(yōu)化理論、電子計算機技術與機械工程相結(jié)合的一門學科。早在二十世紀五十年代以前,工程設計問題的最佳決策還只是限于古典數(shù)學中的微分法和變分法,或用拉格朗日乘子法解決等式約束問題。 </p><p>　　1.機械結(jié)構優(yōu)化設計的應用概況 &

3、lt;/p><p>　　1.1通用機械和機床通用機械和機床的結(jié)構優(yōu)化設計也是一個機械結(jié)構優(yōu)化設計成功應用的領域，把有限元技術與優(yōu)化技術結(jié)合，機械結(jié)構優(yōu)化設計對大型復雜機械結(jié)構的設計是一種有效、精確的方法。由于一般的機械零部件都是連續(xù)體結(jié)構，結(jié)構分析非常復雜，進行結(jié)構優(yōu)化設計比較困難。國內(nèi)的相關研究比較突出，發(fā)表了大量的研究論文和報告。通過這些研究工作的開展，機械和機床的設計有了一種快速，有效、可靠的設計方法，提高了機

4、械產(chǎn)品的設計水平。 </p><p>　　1.2汽車工業(yè)是一個不斷創(chuàng)新，發(fā)展的重要行業(yè)，各個國家和地區(qū)都十分重視汽車工業(yè)的發(fā)展。因此，先進的機械結(jié)構優(yōu)化設計方法也就在此行業(yè)得到推廣和應用，國內(nèi)外出現(xiàn)了大量的研究成果。隋允康等研究了把DDDU-2軟件包應用于汽車的結(jié)構優(yōu)化設計：馮振東等進行了萬向節(jié)傳動布局的支承動態(tài)結(jié)果優(yōu)化設計；田振中研究了特種汽車車身的結(jié)構設計；馮國勝對汽車加工的結(jié)構優(yōu)化設計進行了研究。目前汽車工

5、業(yè)已經(jīng)成為機械結(jié)構優(yōu)化設計廣泛應用的一個領域。 </p><p>　　1.3船舶工業(yè)船舶結(jié)構優(yōu)化設計方法研究相對起步較晚，我國自20世紀70年代末開始研究船舶結(jié)構優(yōu)化設計，比國外差不多晚了10年。但是，我國的船舶結(jié)構優(yōu)化設計也取得了較大的成果，在潛艇結(jié)構、中小型集裝箱結(jié)構、游船剖面、潛艇外部液壓艙等結(jié)構優(yōu)化設計方面進行了研究，提高了相關研究對象的性能，為船舶設計提供了一種可靠、精確的設計方法。 </p>

6、;<p>　　1.4航空航天技術代表著一個國家科學技術的綜合水平與實力，大量的先進科學技術首先在航空航天領域推廣應用或發(fā)明、開發(fā)，而機械結(jié)構優(yōu)化設計發(fā)展最快、應用最廣和作用最大的領域也在航空航天。由于該領域的特殊地位，機械結(jié)構優(yōu)化設計得到了廣泛的應用和充分的重視。 </p><p>　　1.5其它機械結(jié)構優(yōu)化設計在其它工業(yè)領域也有許多應用的實例。宋天霞等開展并完成了大型水輪機結(jié)構優(yōu)化設計的研究；劉揚

7、等進行了石油鉆井井架的結(jié)構優(yōu)化設計；陳樹勛等對雙模輪臺硫化機橫梁進行了結(jié)構優(yōu)化設計；趙洪激等進行了高壓往復泵維形閥結(jié)構優(yōu)化設計的研究，等等。 </p><p>　　2.優(yōu)化設計方法的選擇 </p><p>　　根據(jù)優(yōu)化設計問題的特點（如約束問題），選擇適當?shù)膬?yōu)化方法是非常關鍵的，因為同一個問題可以有多種方法，而有的方法可能會導致優(yōu)化設計的結(jié)果不符合要求。選擇優(yōu)化方法有四個基本原則：效率要高

8、、可靠性要高、采用成熟的計算程序、穩(wěn)定性要好。另外選擇適當?shù)膬?yōu)化方法還需要個人經(jīng)驗，深入分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標函數(shù)，根據(jù)復雜性、準確性等條件對它們進行正確的選擇和建立。 </p><p>　　優(yōu)化設計的選擇取決于數(shù)學模型的特點，通常認為，對于目標函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設計變量個數(shù)不太多的問題，采用懲罰函數(shù)法較好；對于只含線性約束的非線性規(guī)劃問題，最適應采用梯度投影法；對于求導非常困難的問題應選

9、用直接解法，例如復合形法；對于高度非線性的函數(shù)，則應選用計算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。 </p><p>　　3.機械結(jié)構動態(tài)設計的發(fā)展 </p><p>　　傳統(tǒng)的設計方法越來越難以滿足市場的迅速變化，同時，很難綜合考慮各方面的約束條件，得到的往往只是復雜問題的可行方案，而非最優(yōu)方案，也難以很好的滿足機械設備動態(tài)特性要求。對產(chǎn)品進行動態(tài)優(yōu)化設計，可

10、以在很大程度上解決此類問題，其特點是把問題解決在設計階段;其優(yōu)點是代價較小，能夠適應當前激烈的市場競爭的需要。機械結(jié)構動態(tài)設計是一項涉及現(xiàn)代動態(tài)分析，計算機技術，產(chǎn)品結(jié)構動力學理論，設計方法學等眾多科學領域的高新技術。其基本思想是對按功能要求設計的結(jié)構圖紙或要改進的機械結(jié)構進行動力學建模，并做動特性分析。根據(jù)對其動特性的要求或預定的動態(tài)設計目標，進行結(jié)構修改，再設計和結(jié)構重分析，直到滿足結(jié)構動特性的設計要求。 </p>&

11、lt;p>　　3.1機械結(jié)構動態(tài)設計的內(nèi)容 </p><p>　　3.1.1建立一個切合實際的動力學模型 </p><p>　　機械結(jié)構的動力學模型有著極其重要的作用。在機床設計階段，建立動力學模型，可以進行動態(tài)分析和設計;預估機床結(jié)構的動態(tài)特性，分析薄弱環(huán)節(jié)，尋求改進措施;用數(shù)字仿真方法，比較各種設計方案和結(jié)構，并為設計自動化打下基礎。建模的方法有:有限元法、傳遞矩陣法、實驗模態(tài)法

12、、混合建模法、利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論建模。 </p><p>　　3.1.2選擇有效的結(jié)構動態(tài)優(yōu)化設計方法 </p><p>　　結(jié)構動態(tài)優(yōu)化設計是對系統(tǒng)設計變量的初始參數(shù)，通過計算，作出必要的修改，使機械機構的動態(tài)性能在規(guī)定的約束條件下達到最優(yōu)。目前，動態(tài)設計的優(yōu)化正處于發(fā)展與完善階段，從現(xiàn)有的資料來看，系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化設計方法可分為3類:基于模態(tài)柔度和能量平衡的動態(tài)優(yōu)化設計、基于變分原理的

13、動態(tài)優(yōu)化設計和基于最小值原理的動態(tài)優(yōu)化。 </p><p>　　3.2機械結(jié)構動態(tài)設計的關鍵技術 </p><p>　　機械結(jié)構動態(tài)設計的關鍵技術有:結(jié)構結(jié)合部參數(shù)的辨識;系統(tǒng)中阻尼矩陣的確定;模型的修正方法;以設計變量直接作為優(yōu)化變量，實現(xiàn)結(jié)構動力學的求解方法;尋求更快速、更準確的結(jié)構動態(tài)特性重分析模型與方法。結(jié)構動態(tài)設計的發(fā)展主要集中在對關鍵技術的研究上，結(jié)合面在整機性能研究中的主要作

14、用，最早是在1939年，德國柏林工業(yè)大學的一篇論文中提到的，而真正的研究則是1959年，前蘇聯(lián)的Reshetov和Levina所進行的，從此以后，世界各國的眾多學者對其進行了大量的研究，也取得了大量的研究成果。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術和模糊設計技術的發(fā)展，國、內(nèi)外許多研究人員把神經(jīng)網(wǎng)絡技術和模糊設計技術引人動態(tài)設計過程中，為結(jié)構動態(tài)設計提供了全新的思路。 </p><p>　　4.機械結(jié)構優(yōu)化的類型與發(fā)展 </

15、p><p>　　4.1機械結(jié)構的拓撲優(yōu)化過去一般機械結(jié)構優(yōu)化設計主要集中在結(jié)構參數(shù)的優(yōu)化和設計，面對于機械零部件的拓撲結(jié)構很少涉及。但是隨著人們對機械產(chǎn)品設計創(chuàng)新意識的提高，特別是機械產(chǎn)品概念設計的提出和應用。人們對結(jié)構優(yōu)化設計提出了更高的要求——機械產(chǎn)品的結(jié)構拓撲優(yōu)化設計。 </p><p>　　4.2機械結(jié)構的形狀優(yōu)化在機械零部件中，連續(xù)體結(jié)構非常多，形狀比較復雜；結(jié)構分析存在一定難度，而

16、結(jié)構形狀對機械零部件的性能影響很大。因此，機械零部件的形狀優(yōu)化可以大大提高其性能。機械結(jié)構的形狀優(yōu)化也是提高零部件機械性能的重要方法之一。 </p><p>　　4.3機械系統(tǒng)結(jié)構動態(tài)優(yōu)化設計機械產(chǎn)品的動態(tài)性能對其強度、壽命等影響很大，機械結(jié)構的動態(tài)性優(yōu)化設計是結(jié)構優(yōu)化設計的一個重要方向。由于結(jié)構的動態(tài)特性分析非常復雜，特別是大型復雜結(jié)構，對其進行動態(tài)優(yōu)化設計將極富研究價值和應用價值。 </p>&

17、lt;p><b>　　5.結(jié)束語 </b></p><p>　　機械結(jié)構的動態(tài)設計是以計算機仿真、建模為基礎，集計算機技術、機械動力學、有限元和優(yōu)化設計方法為一體，由多學科知識組成的綜合系統(tǒng)技術，是機械結(jié)構動力學設計與分析在計算機環(huán)境中數(shù)字化、圖象化的映射，通過虛擬動態(tài)環(huán)境，進行虛擬產(chǎn)品開發(fā)，對產(chǎn)品的動態(tài)特性做出分析，大大提高了機床的整機性能。 </p><p>

18、;<b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]張文元,吳知豐;遺傳算法在建筑結(jié)構優(yōu)化設計中的應用[J];哈爾濱建筑大學學報;1999年04期 </p><p>　　[2]秦東晨,陳江義,胡濱生,王麗霞;機械結(jié)構優(yōu)化設計的綜述與展望[J];中國科技信息;2005年09期 </p><p>　　[3]龍慧;論機械產(chǎn)品的現(xiàn)代設計方法[