机械优化设计概述

发动机结构优化王荣桥航空推进系课程简介了解非线性数学规划优化方法的基本内容及其在机械（发动机）设计中的应用。初步学会使用优化方法解决简单的工程实际问题，实际了解一两种优化方法在工程实际应用中的特点和可能出现的问题，学会分析这些问题并能给出解决问题的途径。主要掌握优化方法的寻优原理、应用特点，忽略严格的数学推导和证明。最后使学生能对当前优化技术发展现状有所了解。希望通过此课程给有关的学生提供一种新的技术工具。本课程为飞行器动力工程专业本科生的选修课，课内学时34小时，2学分。教材和考核教材–孙靖民主编，机械优化设计（第3版），机械工业出版社，2003考核形式–考试60％–作业20％–平时20％1机械设计——概念设计人类从事任何有目的的活动之前都要有所构思和谋划，此即广义的设计。工程设计工程设计是针对技术系统而言的，是广义设计在工程技术领域中的特有表现，是对技术系统进行构思、分析并把设想变为现实的技术实践活动。机械设计根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的工作原理、运动方式、力和能量的传递、结构形状以及所用材料等，并转化为具体的描述，如图纸和设计文件等，以此作为制造的依据。1机械设计——举例摇头扇-鸿运扇；70年代的埃及阿斯旺水坝——设计失误会造成严重损失HP6L100万台，四年价格不变(2000)。飞机航空发动机1机械设计——设计的重要性设计的重要性计划阶段只花去产品成本的10％－15％，但却影响产品约80％的价值；制造及支持阶段需要投入80%以上的资金，但却改变不了产品的性能和结构。由于设计造成的缺陷是致命的，但设计阶段进行修改风险最小。因此，提高产品竞争力，要从设计入手。设计的重要性美国：为竞争优势而设计（DesigningforCompetitiveAdvantage），21世纪是设计的世纪。德国人：最早感到“MADEinUSA”的产品充斥德国，提出“关键在于设计”的口号。在1998年提出“不能通过廉价产品来提高竞争力，而是要通过经常地创新出其他国家不能有地产品来提高竞争力”的“创新设计”的指导思想。设计的重要性设计的重要性1机械设计机械设计是一个“设计－评价－再设计”反复迭代、不断优化的长期过程（然而）全球化市场竞争下，对产品研制的基本要求是：周期越短越好、成本越低越好、质量越高越好（幸好）计算机技术高度发展，设计的自动化称为可能CAD缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量竞争导致设计方法的转变竞争：TQCS开发周期T：产品开发时间短，上市时间快，交货及时质量Q：产品不但满足结构、性能等技术指标，还要满足客户当前和未来的需求成本C：研制、使用、维护成本低服务S：售后服务及时周到环境E：知识创新K：产品有特色机械设计：传统设计预测设计。传统发动机设计流程概念设计详细设计物理样机试制样机的测试,评估概念设计详细设计物理样机试制性能评估a)费用b)性能c)质量d)生产性定型生产设计符合要求吗?还有时间和经费吗?重新设计有符合不符合没有或不足现代发动机设计流程概念设计详细设计物理样机试制样机的测试,评估概念设计详细设计物理样机试制样机的测试,评估概念设计及初步评估实体建模评估参数定义a)费用网格生成b)性能计算机运算c)质量结果显示d)生产性详细设计物理样机最终确认:a)费用b)性能c)质量d)生产性40-70%压缩设计周期设计方法的转变——预测设计的保障CAD/CAMCIMSCEMDOComputerAidedDesignComputerAidedManufacturingComputerAidedEngineeringComputerAidedProcessPlanningComputerIntegratedManufacturingSystemConcurrentEngineeringProductDataManagement(PDM)MultidisciplineDesignOptimization计算机辅助设计ComputerAidedDesign,CAD是指工程技术人员在人和计算机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成产品的设计、分析、绘图等工作，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。一般认为CAD系统的功能包括：⑦草图设计；②零件设计；③装配设计；④复杂曲面设计；⑤工程图样绘制；⑥工程分析；⑦真实感及渲染；⑧数据交换接口等。计算机辅助制造ComputerAidedManufacturing，CAM有广义和狭义两种定义。广义CAM一般是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。狭义CAM通常是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。这里采用广义定义。计算机辅助工程ComputerAidedEngineering,CAE(1)有限元法FEM对产品结构的静、动态特性、强度、振动、热变形、磁场强度、流场等进行分析和研究。(2)优化设计进行方案优选。(3)三维运动机构的分析和仿真,研究机构的运动学特性，为人们设计运动机构时提供直观的、可以仿真或交互的设计技术。计算机辅助工艺过程设计ComputerAidedProcessPlanning，CAPP是指在人和计算机组成的系统中，根据产品设计阶段给出的信息，人机交互地或自动地确定产品加工方法和工艺过程。一般认为CAPP的功能包括：①毛坯设计；②加工方法选择；③工艺路线制定；④工序设计；⑤刀夹具设计等。其中工序设计又包含机床和刀具选择、切削用量选择、加工余量分配以及工时定额计算等。并行工程对产品设计、开发过程进行重组和优化。采用了企业经营过程重组的基本思想，将原来的串行的设计开发过程改变为尽可能的并行开发过程，上游环节尽可能多的考虑下游环节的可行性，并尽量在计算机网络上实现，这样可以提高效率、减少返工，改善产品的T、Q、C。例：在航天产品的开发设计中，产品开发时间缩短40%，废品率下降70%。现在准备在更多的武器系统的研制中采用这一新技术。并行工程的核心是并行设计设计方法的转变——预测设计的保障六化集成化数字化网络化智能化虚拟化绿色化设计方法的转变——预测设计的保障预测设计中CAE起关键作用，FEA，优化。优化方法与有限元套接：实用。最优化设计是预测（并行）设计的最高境界，并行设计中也贯串了优化设计。设计自动化→优化设计是关键。2优化设计优化是万物演化的自然选择和必然趋势。概念：最优化数学理论和计算技术结合，求得工程约束前提下的最佳目标。最小努力,最大收益.努力和收益都可以写成变量的函数,求这些函数的极小值就是优化.优化设计的目的在于以最高效率求得技术系统最优设计方案或技术问题的最优解。2优化设计传统设计：方案（经验）→结构分析校核→可行方案设计－加工－设计大返工。优化设计：数学模型（初步构思）→优化分析→最优方案短时间内比较成千上万个设计方案，使非优方案不会进入设计－试验－设计大循环。2优化设计结构优化–尺寸优化–形状优化–拓扑优化3发展概述人类智能优化：与人类史同步数学规划方法优化：300多年前，近40年工程优化：近30年人工智能优化：近20余年；多学科优化：21世纪3发展概述（4-1）人类智能优化：与人类史同步无严格数学背景，摸着石头过河。数学规划方法优化：300多年前，尤其近40年Newton:微积分，函数极值；上世纪40年代，计算机的出现，为数学规划方法应用于工程优化提供了强有力工具，推动了数学规划方法的发展：线性规划、非线性规划、随机规划、多目标规划等3发展概述（4-2）工程优化：近20年工程问题的复杂化和大型化；计算机技术的迅速发展数学规划方法对优化问题数学形态的严格要求。。。工程设计专家和非数学领域的专家动手开发面向工程的优化方法。解决传统数学规划方法不能胜任的问题。基于经验和直觉的方法多目标优化问题，工程优化效率问题。3发展概述（4-3）人工智能优化：近10余年–基于知识的优化设计系统，专家系统；–体现人工智能思想的寻优算法，遗传算法、进化算法、退火算法、HNN，等3发展概述（4-4）多学科优化、面向工程的广义优化设计：21世纪MDO（MultidisciplinaryDesignOptimization）在复杂系统设计的整个过程中集成各个学科（子系统）的知识，应用有效的设计／优化策略和分布式计算机网络系统，来组织和管理产品设计过程，通过充分利用各个学科（子系统）之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解（使产品质量或性能更好），从而缩短设计周期，使研制出的产品在国际市场上更具有竞争力。3发展概述两个专门的结构优化期刊–《EngineeringOptimization》–《StructuralOptimization》在各种力学与工程杂志上发表的结构优化文章也占很大的比例,如《AIAA》、《Comput.&Struct.》、《Int.J.Numer.Meth.Engrg.》、《Comput.Meth.Appl.Mech.Engrg.》等几乎每期都刊登一些当前结构优化领域最新动态的文章。有关的国际学术会议十分频繁,如WCSMO(WorldCongressonStructuralandMultidisciplinaryOptimization)是国际结构与多学科优化学会(ISSMO)组织的正式系列会议,是结构与多学科优化领域的世界性权威学术会议,每两年召开一届。3发展概述我国–上世纪60年代，华罗庚，运筹学；–70年代开始，78年有组织发展，科学院数学所：优选法；–大连理工：钱令希、程耿东，工程结构优化设计；–华中理工等机械部七单位，86年，“优化方法程序库”，10种非线性规划方法，一万多条语句，余俊，周济。–CAD4应用在我国应用广度受限，几个原因：没有万能的优化方法，软件编制较一般FEA要困难得多；实际问题一般是多学科协同。研究所的设计体制陈旧，设计与分析分家，懂设计的不懂分析，反之亦然；我国设计能用就行，对质量追求不够；同时由于工程问题的复杂性：保守，继承等。4应用举例PW的JT15D：高压涡轮盘减重28％Bell飞机公司：450个设计变量，机翼减重35％。Boeing的747和777机身设计。BMW：概念车设计减重1/3（94kg减至62kg）。叶盘优化设计轮盘形状优化转子动力学优化