選題的依據(jù)及意義

1、一、 選題的依據(jù)及意義：隨著全球經(jīng)濟一體化步伐的加快和知識經(jīng)濟時代的到來，市場競爭日益激烈，如何快速響應(yīng)市場，在較短時間內(nèi)以較高速性能價格比的產(chǎn)品占領(lǐng)市場，是企業(yè)得以生存和發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此企業(yè)必須依靠創(chuàng)新性思維、先進的設(shè)計制造技術(shù)、完善的管理和利用社會豐富的信息資源等有利因素，增強企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的能力、縮短設(shè)計周期、提高個性化程度、同時又要降低成本、保證質(zhì)量及良好的售后服務(wù)。傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗的設(shè)計方法難以滿足這些要求，而必須采用有限元

2、分析、模態(tài)分析、拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和數(shù)字化設(shè)計及制造等現(xiàn)代先進的設(shè)計方法和手段，使企業(yè)實現(xiàn)快速響應(yīng)市場、產(chǎn)品批量化生產(chǎn)及大規(guī)模生產(chǎn)條件下的個性化需求。而通過機械系統(tǒng)有限元仿真、動態(tài)測試、加工過程仿真、拓撲優(yōu)化、基于元結(jié)構(gòu)的可適應(yīng)性動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法和基于響應(yīng)面法的尺寸優(yōu)化設(shè)計等設(shè)計評價手段，能夠保證產(chǎn)品的優(yōu)良性能。目前，國內(nèi)大部分制造企業(yè)的設(shè)計和制造手段比較落后，與世界上發(fā)達國家的差距較大，設(shè)計的產(chǎn)品不僅性能差、結(jié)構(gòu)笨重、而且設(shè)

3、計周期長、制造成本高和更新?lián)Q代慢。這些問題使得中國的機床制造形勢非常嚴峻。在這個背景下，根據(jù)現(xiàn)代社會的需要，我們著眼于機床立柱機構(gòu)的動力學(xué)拓撲優(yōu)化設(shè)計，其目的和意義在于探索采用先進的設(shè)計技術(shù)和手段實現(xiàn)加工中心的優(yōu)化設(shè)計，采用拓撲優(yōu)化方法設(shè)計加工中心各大件的外形結(jié)構(gòu)；采用基于元結(jié)構(gòu)的可適應(yīng)性動態(tài)優(yōu)化方法設(shè)計各大件的筋板結(jié)構(gòu)；進行基于響應(yīng)面法的尺寸優(yōu)化確定各大件的主要尺寸。使加工中心制造企業(yè)在較短的時間內(nèi)，以較低的成本，設(shè)計出高性能的機械產(chǎn)

4、品，以增強制造企業(yè)在國內(nèi)外的競爭能力。二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是近 20 年來從結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中派生出來的新分支，它在計算結(jié)構(gòu)力學(xué)中已經(jīng)被認為是最富挑戰(zhàn)性的一類研究工作。目前有關(guān)結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的工程應(yīng)用研究還很不成熟，在國外處在發(fā)展的初期，尤其在國內(nèi)尚屬于起步階段。1904 年 Michell 在桁架理論中首次提出了拓撲優(yōu)化的概念。自 1964 年 Dorn 等人提出基結(jié)構(gòu)法，將數(shù)值方法引入拓撲優(yōu)化領(lǐng)域，拓

5、撲優(yōu)化研究開始活躍。20 世紀 80 年代初，程耿東和 N.Olhoff 在彈性板的最優(yōu)厚度分布研究中首次將最優(yōu)拓撲問題轉(zhuǎn)化為尺寸優(yōu)化問題，他們開創(chuàng)性的工作引起了眾多學(xué)者的研究興趣。1988 年Bendsoe 和 Kikuchi 發(fā)表的基于均勻化理論的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計，開創(chuàng)了連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計研究的新局面。1993 年 XieYM 和 StevenGP 提出了漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法。1999 年 Bendsoe 和 Sigmund 證實了變

6、密度法物理意義的存在性。通常把結(jié)構(gòu)優(yōu)化按設(shè)計變量的類型劃分成三個層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化已得到充分的發(fā)展，但它們存在著不能變更結(jié)構(gòu)拓撲的缺陷[2].在國內(nèi)，湯文成和易紅對機床結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)特性進行了分析和優(yōu)化設(shè)計，得出改變結(jié)構(gòu)的筋板類型和布局能夠提高結(jié)構(gòu)動靜態(tài)特性的結(jié)論，并提出了以導(dǎo)軌變形量作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)，各設(shè)計變量對機床動靜態(tài)性能貢獻加權(quán)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)，同時在結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計等方面進

7、行了有益的嘗試[3] [4] [5] 。吳長智提出了一種離散誤差線性優(yōu)化的方法，在 MG1432B 磨床動態(tài)測試的基礎(chǔ)上，建立整機的動力學(xué)模型，較全面地分析和指出了整機結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了修改方案，該方法為整機結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的修改提出了準確和可靠的依據(jù)。伍建國、毛海軍和孫慶紅通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本的選擇問題的研究，提出了采用多水平正交表選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本的方法，建立了內(nèi)圓磨床主軸系統(tǒng)的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并在試驗的基礎(chǔ)上借助

8、于優(yōu)化方法進行了模型修正和優(yōu)化計算，該方法不僅計算方便、快捷，而且具有較高的計算精度張建潤等對五坐標數(shù)控龍門加工中心進行了動態(tài)優(yōu)化設(shè)計劉偉等采用拓撲優(yōu)化方法進行了 XH600 高速加工中心立柱拓撲優(yōu)化[6]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計按照其發(fā)展的順序和難易程度分為五個層次[23]:截面(或尺寸)優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、布局優(yōu)化和類型優(yōu)化。目前結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面優(yōu)化已比較成熟,但對于結(jié)構(gòu)形狀、拓撲和布局等更高層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題,國內(nèi)外發(fā)表的研究論文比較

9、少,進展相對緩慢[1]。和截面優(yōu)化相比,其設(shè)計空間維數(shù)升高了,因而會得到更優(yōu)的目標函數(shù)值,獲得更大的收益。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化能在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始階段為設(shè)計者提供一個概念性設(shè)計,使結(jié)構(gòu)在布局上采用最優(yōu)方案,所以,與截面優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比能取得更大的經(jīng)濟效益,也更易被工程設(shè)計人員所接受,已經(jīng)成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究的一個熱點。三、 本課題研究內(nèi)容床，2005,2:47-49.[5] 湯文成，易紅，幸研.加工中心床身結(jié)構(gòu)分析[J].機械強度，19

10、98,20（1）：11-18[6] 劉偉，朱壯端，張建潤，等.XH6650 高速加工中心立柱拓撲優(yōu)化[J].機床與液壓，2008,34（4）：236-237.[7] 諸乃雄.機床動態(tài)設(shè)計原理與應(yīng)用[D].上海：同濟大學(xué)出版社，1987.[8] 王美娥.有限元在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].航天控制，2004,22（1）：85-89.[9] 謝濤.結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化綜述[J].機械工程師，2006,8：22-25.[10] O.Sigmund. A