深层次动态优化设计理论及应用研究

现代机械动态优化设计是在产品的研究和开发过程中, 对机械产品的运动学和动力学等问题进行分析和计算, 以保证所研究和开发的设备具有优良的结构性能及其他相关性能[1]。

随着科技的发展, 动态设计的广度与深度正发生变化, 总体上分为以下三个方向: (1) 就广度而言, 由狭义的向广义的方向发展; (2) 就深度而言, 由传统的动态优化设计向深层次的动态优化设计发展; (3) 就内容而言, 从一般机械的动态设计扩展到包括振动机械在内的动态设计[2]。

1 深层次动态优化设计的内涵

传统的动态优化以提高产品结构性能为主要目标、以线性动力学理论为基础的动态优化设计法。

深层次的动态优化设计主要是以非线性动力学理论为基础, 使产品能够获得优良的结构性能, 研究内容包括以非线性动力学理论为基础的动态设计和以非线性可靠性理论为基础的机器及其零部件可靠性设计。

2 深层次动态优化设计法的研究意义

动态优化设计是机械设计内容中最重要和最具广泛性的问题。而目前机械设计中, 以静态设计为主, 或采用传统动态设计方法。但这对大型机械装备来说, 这远远不能满足需要的。对重大机械产品设备进行深层次的动力学设计, 引入非线性动力学理论与方法, 是十分必要的[3]。

3 深层次动态优化设计的应用现状

3.1 在振动机械中的应用

振动机械是泛指利用振动原理而工作的机械, 它是化工、冶金、建筑等领域常见的设备, 虽种类繁多, 但基本工作原理相同[4]。随着振动机械向大型化发展, 对机械性能的要求越来越高。例如对冶炼设备中的关键设备——振动筛的动负荷的要求随即增大, 所以在振动状态下常会引起筛体结构强度和刚度不足, 导致筛体变形过大, 甚至使筛体出现断梁、侧板断裂等故障, 造成严重后果。以往对这种设备结构上的不合理设计可能引起的故障缺少测试手段, 因此往往在故障发生后才被重视, 造成难以挽回的损失。随着振动机械性技术的发展和社会对振动机械要求的不断提高, 传统的动态优化设计方法已经不能满足要求, 以非线性理论为基础的深层次动态优化设计理论的研究和应用将会成为振动机械领域的主流方向。

3.2 在机床领域中的应用

现代机床要求高的加工精度和表面质量, 并具有高的生产率。由于加工过程存在各种振动, 机床主轴受迫振动的干扰力主要来自轴上不平衡旋转零件所产生的周期变化的惯性力和不均匀切削时时变的切削力。机床运转时, 由于强迫干扰谐振力引起主轴上工件或刀具切削部位的振幅等, 使加工过程达不到预定的加工精度和表面质量[5]。

在机床设计方面, 优化设计方法也得到了应用, 取得了一定的成果。在国外, Michigan大学的T.jiang和M.Chiredast[6]在应用有限元法和动态分析的基础上, 提出一种数学模型来模拟机床结构的联结形式, 建立整机的模型并对机床结合面的联接件的位置和数量进行优化设计。在国内, 西安交通大学张波、陈天宁[7]等在ANSYS环境中建立了机床主轴部件的有限元动力学模型, 并对主轴部件进行了静、动态特性的计算和动态优化设计。他们建立了简化的有限元动力学模型, 在ANSYS中分析其前8阶的模态频率, 确定动态优化设计的目标, 然后设计和修改主轴的结构使之达到预期的动态特性。

随着技术的进步, 社会对机械零部件的加工精密度要求越来越高, 深层次动态优化设计的应用空间也将越来越大。

3.3 在交通工具研究中的应用

随着社会的进步, 生活水平的提高, 人们对交通工具的要求也越来越高, 这体现在对交通工具乘坐舒适性、安全性、外观的美观性等。

目前, 我国大力发展高速列车的研究和使用。据报道, 2010年5月27日, 新一代高速列车“和谐号”380A首辆车在长春下线, 最高时速可达380km。对于高速列车这样的复杂系统, 传统的动态优化设计方法已经失去了作用, 深层次动态优化设计法成为了必然的理论基础。

在汽车领域, 汽车在行驶时, 路面的不平度会引起汽车的振动。为提高汽车的平顺性, 减少其振动, 一方面要改善路面质量, 减少振动的来源;另一方面要求汽车对路面不平度有良好的隔振特性。车辆的减振一般有三个环节, 即轮胎、悬架和座椅, 其中, 起重要作用的是由弹性元件和阻尼元件构成的车辆悬架系统。而车辆悬架系统是典型的非线性模型, 只有利用深层次动态优化设计法才能建立其准确的模型。

4 结论

本文对深层次动态优化设计理论的研究内容及意义进行了分析, 并通过在振动机械、机床、交通工具等典型领域为例, 介绍了深层次动态优化设计的应用现状。

在过去的这些年里, 深层次动态优化设计理论的研究已经取得了很大的进步, 也有了很多比较成功的应用实例。但是科技是不断向前进步的, 对机械设备各方面性能的要求也越来越高, 深层次动态优化设计理论依然有待于完善, 其应用前景将会更加光明。

摘要：随着技术的进步, 传统的动态优化设计方法已经难以满足这些日益提高的要求, 以非线性理论为基础的深层次动态优化设计理论的研究和应用已成为机械工程的一个重要的研究方向。

关键词：动态优化设计,深层次动态优化设计,非线性理论

参考文献

[1] 闻邦椿, 韩清凯, 姚红良, 等.产品的结构性能及动态优化设计[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[2] 陈新, 贾玉兰, 等.机械结构动态设计理论方法及应用[M].北京:机械工业出版社, 1997.

[3] 李小彭.面向产品广义质量的“1+3+X”综合设计法及其应用研究[D].沈阳:东北大学, 2005.

[4] 孙伟, 韩清凯, 闻邦椿, 等.可视动态设计法在振动机械设计中的应用[J].第十一届全国机械设计年会, 机械设计, 2005 (增刊) :41-42.

[5] 傅晓锦.机床主轴多目标优化设计[J].机床与液压, 1999.6:51-52.

[6] T.Jiang, M.Chirehdest.A System Ap-proach to Structural TopologyOptimization[J].Designing OptimalConnections, 1999 (30) :521-523.

[7] 张波, 陈天宁, 等.数控机床主轴部件动态优化设计[J].机械设计, 2004 (5) :33-35.