芻議機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展

1、<p>　　芻議機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展</p><p>　　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。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；發(fā)展 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)： S611

2、 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　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(mén)學(xué)科。早在二十世紀(jì)五十年代以前,工程設(shè)計(jì)問(wèn)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(wèn)題。 </p><p>　　1.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用概況 &

3、lt;/p><p>　　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(duì)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(guó)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(guò)這些研究工作的開(kāi)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)

4、械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。 </p><p>　　1.2汽車(chē)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(guó)家和地區(qū)都十分重視汽車(chē)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(guó)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(chē)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：馮振東等進(jìn)行了萬(wàn)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(chē)車(chē)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；馮國(guó)勝對(duì)汽車(chē)加工的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。目前汽車(chē)工

5、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。 </p><p>　　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(duì)起步較晚，我國(guó)自20世紀(jì)70年代末開(kāi)始研究船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，比國(guó)外差不多晚了10年。但是，我國(guó)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(duì)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。 </p>

6、;<p>　　1.4航空航天技術(shù)代表著一個(gè)國(guó)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(kāi)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。 </p><p>　　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(kāi)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)

7、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(shù)勛等對(duì)雙模輪臺(tái)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。 </p><p>　　2.優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的選擇 </p><p>　　根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的特點(diǎn)（如約束問(wèn)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(wèn)題可以有多種方法，而有的方法可能會(huì)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

8、、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(duì)它們進(jìn)行正確的選擇和建立。 </p><p>　　優(yōu)化設(shè)計(jì)的選擇取決于數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，通常認(rèn)為，對(duì)于目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù)且設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)不太多的問(wèn)題，采用懲罰函數(shù)法較好；對(duì)于只含線性約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題，最適應(yīng)采用梯度投影法；對(duì)于求導(dǎo)非常困難的問(wèn)題應(yīng)選

9、用直接解法，例如復(fù)合形法；對(duì)于高度非線性的函數(shù)，則應(yīng)選用計(jì)算穩(wěn)定性較好的方法，例如BFGS變尺度法和內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)相結(jié)合的方法。 </p><p>　　3.機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的發(fā)展 </p><p>　　傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法越來(lái)越難以滿(mǎn)足市場(chǎng)的迅速變化，同時(shí)，很難綜合考慮各方面的約束條件，得到的往往只是復(fù)雜問(wèn)題的可行方案，而非最優(yōu)方案，也難以很好的滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)特性要求。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可

10、以在很大程度上解決此類(lèi)問(wèn)題，其特點(diǎn)是把問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段;其優(yōu)點(diǎn)是代價(jià)較小，能夠適應(yīng)當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)涉及現(xiàn)代動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算機(jī)技術(shù)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，設(shè)計(jì)方法學(xué)等眾多科學(xué)領(lǐng)域的高新技術(shù)。其基本思想是對(duì)按功能要求設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖紙或要改進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，并做動(dòng)特性分析。根據(jù)對(duì)其動(dòng)特性的要求或預(yù)定的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，再設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)重分析，直到滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的設(shè)計(jì)要求。 </p>&

11、lt;p>　　3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 </p><p>　　3.1.1建立一個(gè)切合實(shí)際的動(dòng)力學(xué)模型 </p><p>　　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

12、、混合建模法、利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建模。 </p><p>　　3.1.2選擇有效的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 </p><p>　　結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)是對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量的初始參數(shù)，通過(guò)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(lái)看，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可分為3類(lèi):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

13、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。 </p><p>　　3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) </p><p>　　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(shí);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(duì)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

14、用，最早是在1939年，德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)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(jìn)行的，從此以后，世界各國(guó)的眾多學(xué)者對(duì)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(guó)、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(guò)程中，為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供了全新的思路。 </p><p>　　4.機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的類(lèi)型與發(fā)展 </

15、p><p>　　4.1機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)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(duì)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(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識(shí)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(duì)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)。 </p><p>　　4.2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

16、結(jié)構(gòu)形狀對(duì)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。 </p><p>　　4.3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(duì)其強(qiáng)度、壽命等影響很大，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性?xún)?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(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)將極富研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。 </p>&

17、lt;p><b>　　5.結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　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(shí)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(guò)虛擬動(dòng)態(tài)環(huán)境，進(jìn)行虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，對(duì)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。 </p><p>

18、;<b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[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 </p><p>　　[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(guó)科技信息;2005年09期 </p><p>　　[3]龍慧;論機(jī)械產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[