機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展應(yīng)用綜述

楊良明 何崢

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的廣泛應(yīng)用，工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域在設(shè)計(jì)方法和技術(shù)創(chuàng)新方面有了巨大的發(fā)展和進(jìn)步。這也大大推動(dòng)了現(xiàn)代工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是其中發(fā)展最快的設(shè)計(jì)方法之一。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);發(fā)展

引言

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化理論、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)械工程相結(jié)合的一門學(xué)科。早在二十世紀(jì)五十年代以前，工程設(shè)計(jì)問題的最佳決策還只是限于古典數(shù)學(xué)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。

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用概況

1.1通用機(jī)械和機(jī)床通用機(jī)械和機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也是一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成功應(yīng)用的領(lǐng)域，把有限元技術(shù)與優(yōu)化技術(shù)結(jié)合，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對大型復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一種有效、精確的方法。由于一般的機(jī)械零部件都是連續(xù)體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分析非常復(fù)雜，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)比較困難。國內(nèi)的相關(guān)研究比較突出，發(fā)表了大量的研究論文和報(bào)告。通過這些研究工作的開展，機(jī)械和機(jī)床的設(shè)計(jì)有了一種快速，有效、可靠的設(shè)計(jì)方法，提高了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。

1.2汽車工業(yè)是一個(gè)不斷創(chuàng)新，發(fā)展的重要行業(yè)，各個(gè)國家和地區(qū)都十分重視汽車工業(yè)的發(fā)展。因此，先進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也就在此行業(yè)得到推廣和應(yīng)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(yīng)用于汽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：馮振東等進(jìn)行了萬向節(jié)傳動(dòng)布局的支承動(dòng)態(tài)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì);田振中研究了特種汽車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);馮國勝對汽車加工的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。目前汽車工業(yè)已經(jīng)成為機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域。

1.3船舶工業(yè)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究相對起步較晚，我國自20世紀(jì)70年代末開始研究船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，比國外差不多晚了10年。但是，我國的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也取得了較大的成果，在潛艇結(jié)構(gòu)、中小型集裝箱結(jié)構(gòu)、游船剖面、潛艇外部液壓艙等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，提高了相關(guān)研究對象的性能，為船舶設(shè)計(jì)提供了一種可靠、精確的設(shè)計(jì)方法。

1.4航空航天技術(shù)代表著一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)的綜合水平與實(shí)力，大量的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)首先在航空航天領(lǐng)域推廣應(yīng)用或發(fā)明、開發(fā)，而機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣和作用最大的領(lǐng)域也在航空航天。由于該領(lǐng)域的特殊地位，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了廣泛的應(yīng)用和充分的重視。

1.5其它機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在其它工業(yè)領(lǐng)域也有許多應(yīng)用的實(shí)例。宋天霞等開展并完成了大型水輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究;劉揚(yáng)等進(jìn)行了石油鉆井井架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);陳樹勛等對雙模輪臺硫化機(jī)橫梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);趙洪激等進(jìn)行了高壓往復(fù)泵維形閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，等等。

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

2.1.1建立一個(gè)切合實(shí)際的動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型有著極其重要的作用。在機(jī)床設(shè)計(jì)階段，建立動(dòng)力學(xué)模型，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì);預(yù)估機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，分析薄弱環(huán)節(jié)，尋求改進(jìn)措施;用數(shù)字仿真方法，比較各種設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)，并為設(shè)計(jì)自動(dòng)化打下基礎(chǔ)。建模的方法有：有限元法、傳遞矩陣法、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)法、混合建模法、利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建模。

2.1.2選擇有效的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)是對系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量的初始參數(shù)，通過計(jì)算，作出必要的修改，使機(jī)械機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能在規(guī)定的約束條件下達(dá)到最優(yōu)。目前，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可分為3類：基于模態(tài)柔度和能量平衡的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于變分原理的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于最小值原理的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的特點(diǎn)（如約束問題），選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法是非常關(guān)鍵的，因?yàn)橥粋€(gè)問題可以有多種方法，而有的方法可能會導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果不符合要求。選擇優(yōu)化方法有四個(gè)基本原則：效率要高、可靠性要高、采用成熟的計(jì)算程序、穩(wěn)定性要好。另外選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法還需要個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，深入分析優(yōu)化模型的約束條件、約束函數(shù)及目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)復(fù)雜性、準(zhǔn)確性等條件對它們進(jìn)行正確的選擇和建立

2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)有：結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)變量直接作為優(yōu)化變量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的求解方法;尋求更快速、更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性重分析模型與方法。結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的發(fā)展主要集中在對關(guān)鍵技術(shù)的研究上，結(jié)合面在整機(jī)性能研究中的主要作用，世界各國的眾多學(xué)者對其進(jìn)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(luò)技術(shù)和模糊設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，國、內(nèi)外許多研究人員把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊設(shè)計(jì)技術(shù)引人動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程中，為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供了全新的思路。

3.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展

3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化過去一般機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，面對于機(jī)械零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很少涉及。但是隨著人們對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識的提高，特別是機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的提出和應(yīng)用。人們對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求——機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化在機(jī)械零部件中，連續(xù)體結(jié)構(gòu)非常多，形狀比較復(fù)雜;結(jié)構(gòu)分析存在一定難度，而結(jié)構(gòu)形狀對機(jī)械零部件的性能影響很大。因此，機(jī)械零部件的形狀優(yōu)化可以大大提高其性能。機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化也是提高零部件機(jī)械性能的重要方法之一。

3.3機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能對其強(qiáng)度、壽命等影響很大，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性優(yōu)化設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向。由于結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析非常復(fù)雜，特別是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)將極富研究價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

4.結(jié)束語

總之，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)仿真、建模為基礎(chǔ)，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)、有限元和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為一體，由多學(xué)科知識組成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，是機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與分析在計(jì)算機(jī)環(huán)境中數(shù)字化、圖象化的映射，通過虛擬動(dòng)態(tài)環(huán)境，進(jìn)行虛擬產(chǎn)品開發(fā)，對產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性做出分析，大大提高了機(jī)床的整機(jī)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文元，吳知豐.遺傳算法在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1999年04期

[2]秦東晨，陳江義，胡濱生，王麗霞.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的綜述與展望[J].中國科技信息，2005年09期

[3]龍慧.論機(jī)械產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2001年03期