对动态优化设计的认识及其应用

Northu大学研究生课程论文1图1动态优化设计的广义目标Fig.1Thegeneralobjectivesofdynamicoptimized对动态优化设计的认识及其应用xxx09x00xx摘要：本文主要阐述了动态优化设计的概念、内容方法；介绍了动态优化设计相关理论；进行了ANSYS模态分析和静力学分析说明动态优化设计在实际工程中的应用。关键词：动态优化设计，ANSYS，模态分析现代机械产品正在向高速、高精度、轻量化的方向发展，产品结构日趋复杂,产品更新换代的速度日益加快,对产品或设备的结构系统的静态和动态特性要求越来越高。如何提高系统的性能越来越受到人们的重视。对产品进行动态优化设计是提高产品性能的主要手段，在产品设计中起着非常重要的作用。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与动力学及与此相关的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题，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它相关性能。动态优化设计在现代机械产品设计中占有十分重要的地位，这是因为绝大多数现代机械设备都处在连续运转过程中，而且由于这些机械的工作速度越来越高，结构越来越复杂，尺寸越来越大（对微型机械来说，尺寸越来越小），精度越来越高，功能越来越齐全，对其工作的可靠性、安全性和工作连续性的要求也越来越高。在这种情况下，产品动态设计已成为现代机械研究开发不可缺少的和至关重要的环节，对保证产品的工作可靠性、安全性、工作耐久性。本文将概要论述通过学习机械设备的动力学与动态分析这门课程对动态优化设计的认识，并运用ANSYS对简单结构进行了模态分析和静力学分析。现代机械产品动态优化设计是一项涉及现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法学等众多学科领域的新的学科分支，其基本思想是对按功能要求设计的结构或要改进的机械结构进行动力学建模，并做动特性分析。根据对其动特性的要求或预定的动态设计目标，进行结构修改、再设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。机械结构动态优化设计就是在充分考虑动载荷及满足约束条件的情况下，确定出机械结构的质量、刚度和阻尼的最优分1.前言2.动态优化设计的目标、内容及方法机械设备的动力学与动态分析2布参数，使机械结构具有优良的动态性能。在动态优化设计中设计目标包括广义目标和具体目标。对于机械动态设计来说，其广义目标应包括思想目标（I）、产品质量目标（Q）、成本目标（C）、生产周期目标（T）、环境目标（E）、产品售后目标（S）其它目标（O），即IQCTESO等7方面的目标。为了做好产品的动态设计工作，必须具体贯彻前面提出的这些目标，如果在设计中忽视其中的某一目标，就有可能在某一方面出现问题。产品动态设计的具体技术目标应是产品的全部结构性能及部分使用性能和制造性能，结构性能包括人机安全性、系统可靠性、材质适用性、工作耐久性、结构紧凑性、环境无害性、造型艺术性、设计经济性等；部分使用性能包括工效实用性、指标优越性、运行稳定性等；部分制造性能包括结构工艺性能包括设备维修性等。图2动态优化设计的具体目标Fig.2Thespecificobjectivesofdynamicoptimizeddesign动态优化设计组要目标是产品的结构性能，但是对其它性能及主辅功能也会产生不同程度的影响。从物理概念出发，动态优化的主要目标、内容和手段彼此间有着不可分割的联系，若它们各自组成元素的方程式，即Northu大学研究生课程论文3式中，Cs(n),Ds(m),As(k)分别表示由n,m,k个元素或子系统组成的设计目标函数、设计内容函数和设计方法函数；ci,di,ai分别表示设计目标、设计内容与设计方法的组成元素或组成子系统。动态优化设计的内容主要包括：对机器的整体结构和结构型零部件进行动态优化设计的结构动力学设计；对机器的各种机构运动学和动力学进行动态优化设计的机构动力学设计；对机器的运动学参数和动力学参数进行计算的运动学与动力学参数设计；对机器零部件及机械系统可靠度进行计算的强度与可靠性设计；对机器相对运动部件进行动态摩擦设计与计算的动态摩擦设计；对机器外形与动力学有关的机械进行造型设计；以及其它相关的设计。图3动态优化设计的具体内容Fig.3Thespecificcontentofdynamicoptimizeddesign机械设备动态设计的方法和手段一般可分为工程化和数字化方法两大类，更具体地说。有振动分析方法、有限元方法、多体系统动力学方法、广义优化方法、智能化设计方法、可视化设计方法（动态仿真方法）和试验方法等。动态优化设计因所采用的理论基础不同，可分为传统的和深层次的动态优化设计两类。传统动态优化设计法应是一种以提高机器结构性能和工作性能为目标，以线性动力学理论为基础，以机器运动学和动力学分析与计算为内容，以广义优化为主要手段的动态优化设计。深层次动态优化设计法是以非线性动力学为基础的动态优化设计方法。它的主要内容包括：1）建立以线性和非线性动力学理论为基础的动态优化设计的体系现代机械深层次机械设备的动力学与动态分析4动态优化设计应是一种以非线性动力学理论为基础，以机器运动学和动力学分析与计算为内容，以广义优化为手段的动态优化设计。为了做好此项工作，应该建立以非线性振动、非线性动力有限元和非线性多体系统动力学为基础的非线性动态优化设计体系和设计平台。2）建立以可靠性理论为基础的机器系统及其零部件可靠性设计体系深层次机械动态设计的目的和一般动态设计相同之点是，要求所设计的机械设备在投入生产后，能处在较理想的状态下工作，不仅能获得满意的技术性能指标，能安全可靠地工作，还能满足工作寿命的要求。动态优化设计所涉及的基础学科相当广泛，要想做好动态优化设计工作为产品的安全性和可靠性提供必要的保障，必须掌握好相关的基础理论。从动态优化设计的具体内容来看，其理论基础有机构动力学、结构动力学及系统动力学（包括机械振动学、动态有限元方法、多体系统动力学）、动态可靠性理论、动强度理论和动态摩擦理论等。从动态设计的方法来看，其理论基础有振动分析方法、动态有限元方法、多体系统动力学方法、优化设计方法、动态仿真方法和试验方法等。下面分两个方面叙述。3.1有关动态优化设计内容方面的理论基础动态优化设计内容的理论基础十分广泛，它涉及到机械设计内容的各个方面，如结构动力学、机构动力学、机械系统动力学、可靠性理论、动强度理论、动态摩擦理论等。1）结构动力学对于机器的结构型零部件来说，在设计时常常要考虑其动力学问题，研究结构动力学问题的学科或课程即称为结构动力学。在机器内部，也常常含有许许多多的结构型零部件，这些零部件也像建筑结构一样，需要对其进行动态分析，例如，计算其固有频率、振型和振动响应等，以便选择合理和运动学和动力学参数，保证机器工作在理想的工作状态下。对于简单的构件，可直接采用振动分析的方法加以计算；对于复杂的构件，常常采用有限元方法对其进行分析。2）机构动力学机构是机器的重要组成部分，机构的运动学与动力学是机构学研究的重要内容之一，研究的目的是使机构处在较理想的状态下工作，除了获得优良的工艺指标，还要保证机构安全可靠工作。3）机械系统动力学机械系统动力学问题在机械设计中占有十分重要的地位，因为机械设备通常由各主要系统所组成，每个系统都有其动力学问题，也就是说每个系统都存在振动问题。如果这个问题不能合理的处理，就有可能出现振动超标的问题，当振动量超过规定的数值后，系统就会产生的过大的振动，进而可能引发更严重的问题，甚至会导致机械设备的破坏。所以对于动态设计而言，必须要对系统进行动力学分析，找出其合理工作范围，使机器始终工作在理想的工况下。机械系统动力学最主要的研究工作是计算与分析系统的动力学特性，找出合理的的动力学参数，使机器始终工作在；使机器始终工作在理想的工况下。4）可靠性理论机械产品的安全可靠是工机械产品设计的主要目的。在设计中使用的安全系数，以3.动态优化设计的相关理论Northu大学研究生课程论文5及对机械产品合格率的估计方法，在很长时期内，都停留在确定性的概念上，没有考虑事物的不确定因素，因而不能真正反映设计的本质内容。近三十年来，在许多工程技术中，已逐渐扬弃旧的安全系数概念和估计方法，而代之以建立在概率统计基础上的可靠性分析方法。可靠性设计理论的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提出可供实际计算的力学模型及方法。这样，就可以在机器研制阶段，即在机器的设计和样机试制阶段，估计或预测机器及其主要零部件在规定工作条件下的工作能力状态或寿命，保证机器具有所需的可靠性。零部件是组成机器的基本单元，因此，讨论零部件可靠度计算和可靠性设计的理论与方法的基础。这些方法包括应力⎯强度干涉模型法、等效正态分布法、随机摄动法和二阶矩阵法等。机械强度可靠性设计，就在于揭示载荷(应力)及零部件强度的分布规律，合理地建立应力与强度之间的力学模型，严格控制失效概率，以满足可靠性设计要求。应力⎯强度分布干涉模型简称为干涉模型，可以清楚地揭示零部件强度可靠性设计的本质。5）动强度理论机器的零部件通常工作在连续变化的载荷作用下，材料内部的应力与应变常常处在连续变化的情况下，为了保证机器零部件在规定寿命的条件下工作，必须要对其动强度进行计算，或疲劳强度进行计算。由于机器的载荷十分复杂，但可按照不同的类型的载荷对其疲劳强度进行分析与计算，以保证机器的零部件在有限的寿命范围内安全可靠的工件。6）动态摩擦理论机器及其零部件通常工作在相对运动的工作情况下，因此，通常存在着相对摩擦，例如，机器的轴与轴承之间的摩擦，机器工作机构与被处理物质间常常存在摩擦等，而与此同时，被处理物质与加工零部件会出现不同程度的磨损，并消耗一定的能量和材料，所以，研究机器零部件的摩擦与磨损是动态设计一项重要内容。7）造型设计中的动力学问题有些机械的造型设计是与动力学问题密切相关的，例如，轿车的外形设计、飞机的外形设计和船舶的外形设计都不能不考虑流体动力学问题，因为外形不合理就会增加运行阻力，增加不必要的动力消耗。3.2有关动态设计手段方面的理论基础从设计手段来看，有振动分析、有限元和边界元方法、优化设计、动态仿真、试验方法等。下面分别地加以叙述：1）振动分析方法在机械动态设计中，振动分析与计算起着十分重要的作用，一种机器，特别是高速运转的机器，如果工作在连续运转的状态下，应该通过振动分析的方法，研究其动力学特性，即研究系统的固有特性（包括固有频率与振动型），系统在某一或某些激励下响应等，进而选择理想的技术参数，使系统处在较理想的状态下工作：对于有害的振动，要设法限制系统出现有害的振动；对于有用的振动，要采取相应的有效措施，使振动得到有效的利用。振动的种类较多，形式各异，要针对不同形式开展有相应的研究。振动按其与位移、速度与加速度关系式的不同，可分为线性振动与非线性振动两类；此外，按能量积聚所表现出的特殊运动形式及通常只能用统计方法加以分析与处理的，有自激振动、随机振动等。振动分析的方法按系统自由度的多少，可分为单自由度、双自由度系统、多自由度机械设备的动力学与动态分析6系统与连续体系统等；按方法的种类可分为解析方法、图解方法、数值方法、实验方法等；按求解的精确程度来分，有近似方法与精确方法两类；由于求解非线性振动系统，特别在求解多自由度非线性振动系统，在数学上存在一定的困难，因此，对于非线性振动系统常常采用近似求解方法。由于科学技术的发展，目前振动学已逐渐扩展为许多研究分支和相邻的交叉学科；如线性振动与非线性振动、随机振动、模态分析与模态试验、结构动力学、机械动力学、转子动力学、包装动力学、土动力学、振动与噪声控制、结构抗振振动及控制、振动利用工程、振动测试、信号分析和故障诊断等。2）有限元与边界元方法对于结构型零部件，若要对其振动模态及动变形和动应力进行分析计算，常常采用有限单元法(FiniteElementMethod,FEM)。为了对已完成初步设计产品或需要改进的产品进行机械结构系统动力学建模和动态特性分析，进行