深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用研究

付杰

摘要：隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以滿足這些日益提高的要求，以非線性理論為基礎(chǔ)的深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的研究和應(yīng)用已成為機(jī)械工程的一個(gè)重要的研究方向。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)非線性理論

中圖分類號：TB482.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0111-01

現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品的研究和開發(fā)過程中，對機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等問題進(jìn)行分析和計(jì)算，以保證所研究和開發(fā)的設(shè)備具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能及其他相關(guān)性能[1]。

隨著科技的發(fā)展，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的廣度與深度正發(fā)生變化，總體上分為以下三個(gè)方向：（1）就廣度而言，由狹義的向廣義的方向發(fā)展；（2）就深度而言，由傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)向深層次的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展；（3）就內(nèi)容而言，從一般機(jī)械的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)擴(kuò)展到包括振動(dòng)機(jī)械在內(nèi)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[2]。

1深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化以提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能為主要目標(biāo)、以線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)法。

深層次的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是以非線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，使產(chǎn)品能夠獲得優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，研究內(nèi)容包括以非線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和以非線性可靠性理論為基礎(chǔ)的機(jī)器及其零部件可靠性設(shè)計(jì)。

2深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)法的研究意義

動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容中最重要和最具廣泛性的問題。而目前機(jī)械設(shè)計(jì)中，以靜態(tài)設(shè)計(jì)為主，或采用傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法。但這對大型機(jī)械裝備來說，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要的。對重大機(jī)械產(chǎn)品設(shè)備進(jìn)行深層次的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，引入非線性動(dòng)力學(xué)理論與方法，是十分必要的[3]。

3深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 在振動(dòng)機(jī)械中的應(yīng)用

振動(dòng)機(jī)械是泛指利用振動(dòng)原理而工作的機(jī)械，它是化工、冶金、建筑等領(lǐng)域常見的設(shè)備，雖種類繁多，但基本工作原理相同[4]。隨著振動(dòng)機(jī)械向大型化發(fā)展，對機(jī)械性能的要求越來越高。例如對冶煉設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備—— 振動(dòng)篩的動(dòng)負(fù)荷的要求隨即增大，所以在振動(dòng)狀態(tài)下常會(huì)引起篩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度不足，導(dǎo)致篩體變形過大，甚至使篩體出現(xiàn)斷梁、側(cè)板斷裂等故障，造成嚴(yán)重后果。以往對這種設(shè)備結(jié)構(gòu)上的不合理設(shè)計(jì)可能引起的故障缺少測試手段，因此往往在故障發(fā)生后才被重視，造成難以挽回的損失。隨著振動(dòng)機(jī)械性技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)對振動(dòng)機(jī)械要求的不斷提高，傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足要求，以非線性理論為基礎(chǔ)的深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的研究和應(yīng)用將會(huì)成為振動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域的主流方向。

3.2 在機(jī)床領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)代機(jī)床要求高的加工精度和表面質(zhì)量，并具有高的生產(chǎn)率。由于加工過程存在各種振動(dòng)，機(jī)床主軸受迫振動(dòng)的干擾力主要來自軸上不平衡旋轉(zhuǎn)零件所產(chǎn)生的周期變化的慣性力和不均勻切削時(shí)時(shí)變的切削力。機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于強(qiáng)迫干擾諧振力引起主軸上工件或刀具切削部位的振幅等，使加工過程達(dá)不到預(yù)定的加工精度和表面質(zhì)量[5]。

在機(jī)床設(shè)計(jì)方面，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也得到了應(yīng)用，取得了一定的成果。在國外，Michigan大學(xué)的T.jiang和M.Chiredast[6]在應(yīng)用有限元法和動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，提出一種數(shù)學(xué)模型來模擬機(jī)床結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)形式，建立整機(jī)的模型并對機(jī)床結(jié)合面的聯(lián)接件的位置和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)張波、陳天寧[7]等在ANSYS環(huán)境中建立了機(jī)床主軸部件的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，并對主軸部件進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算和動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。他們建立了簡化的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，在ANSYS中分析其前8階的模態(tài)頻率，確定動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，然后設(shè)計(jì)和修改主軸的結(jié)構(gòu)使之達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)特性。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)對機(jī)械零部件的加工精密度要求越來越高，深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用空間也將越來越大。

3.3 在交通工具研究中的應(yīng)用

隨著社會(huì)的進(jìn)步，生活水平的提高，人們對交通工具的要求也越來越高，這體現(xiàn)在對交通工具乘坐舒適性、安全性、外觀的美觀性等。

目前，我國大力發(fā)展高速列車的研究和使用。據(jù)報(bào)道，2010年5月27日，新一代高速列車“和諧號”380A首輛車在長春下線，最高時(shí)速可達(dá)380km。對于高速列車這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)失去了作用，深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)法成為了必然的理論基礎(chǔ)。

在汽車領(lǐng)域，汽車在行駛時(shí)，路面的不平度會(huì)引起汽車的振動(dòng)。為提高汽車的平順性，減少其振動(dòng)，一方面要改善路面質(zhì)量，減少振動(dòng)的來源；另一方面要求汽車對路面不平度有良好的隔振特性。車輛的減振一般有三個(gè)環(huán)節(jié)，即輪胎、懸架和座椅，其中，起重要作用的是由彈性元件和阻尼元件構(gòu)成的車輛懸架系統(tǒng)。而車輛懸架系統(tǒng)是典型的非線性模型，只有利用深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)法才能建立其準(zhǔn)確的模型。

4結(jié)論

本文對深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的研究內(nèi)容及意義進(jìn)行了分析，并通過在振動(dòng)機(jī)械、機(jī)床、交通工具等典型領(lǐng)域?yàn)槔?，介紹了深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

在過去的這些年里，深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，也有了很多比較成功的應(yīng)用實(shí)例。但是科技是不斷向前進(jìn)步的，對機(jī)械設(shè)備各方面性能的要求也越來越高，深層次動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論依然有待于完善，其應(yīng)用前景將會(huì)更加光明。

參考文獻(xiàn)

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