深層次動態優化設計理論及應用研究

付杰

摘要：隨著技術的進步，傳統的動態優化設計方法已經難以滿足這些日益提高的要求，以非線性理論為基礎的深層次動態優化設計理論的研究和應用已成為機械工程的一個重要的研究方向。

關鍵詞：動態優化設計深層次動態優化設計非線性理論

中圖分類號：TB482.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0111-01

現代機械動態優化設計是在產品的研究和開發過程中，對機械產品的運動學和動力學等問題進行分析和計算，以保證所研究和開發的設備具有優良的結構性能及其他相關性能[1]。

隨著科技的發展，動態設計的廣度與深度正發生變化，總體上分為以下三個方向：（1）就廣度而言，由狹義的向廣義的方向發展；（2）就深度而言，由傳統的動態優化設計向深層次的動態優化設計發展；（3）就內容而言，從一般機械的動態設計擴展到包括振動機械在內的動態設計[2]。

1深層次動態優化設計的內涵

傳統的動態優化以提高產品結構性能為主要目標、以線性動力學理論為基礎的動態優化設計法。

深層次的動態優化設計主要是以非線性動力學理論為基礎，使產品能夠獲得優良的結構性能，研究內容包括以非線性動力學理論為基礎的動態設計和以非線性可靠性理論為基礎的機器及其零部件可靠性設計。

2深層次動態優化設計法的研究意義

動態優化設計是機械設計內容中最重要和最具廣泛性的問題。而目前機械設計中，以靜態設計為主，或采用傳統動態設計方法。但這對大型機械裝備來說，這遠遠不能滿足需要的。對重大機械產品設備進行深層次的動力學設計，引入非線性動力學理論與方法，是十分必要的[3]。

3深層次動態優化設計的應用現狀

3.1 在振動機械中的應用

振動機械是泛指利用振動原理而工作的機械，它是化工、冶金、建筑等領域常見的設備，雖種類繁多，但基本工作原理相同[4]。隨著振動機械向大型化發展，對機械性能的要求越來越高。例如對冶煉設備中的關鍵設備—— 振動篩的動負荷的要求隨即增大，所以在振動狀態下常會引起篩體結構強度和剛度不足，導致篩體變形過大，甚至使篩體出現斷梁、側板斷裂等故障，造成嚴重后果。以往對這種設備結構上的不合理設計可能引起的故障缺少測試手段，因此往往在故障發生后才被重視，造成難以挽回的損失。隨著振動機械性技術的發展和社會對振動機械要求的不斷提高，傳統的動態優化設計方法已經不能滿足要求，以非線性理論為基礎的深層次動態優化設計理論的研究和應用將會成為振動機械領域的主流方向。

3.2 在機床領域中的應用

現代機床要求高的加工精度和表面質量，并具有高的生產率。由于加工過程存在各種振動，機床主軸受迫振動的干擾力主要來自軸上不平衡旋轉零件所產生的周期變化的慣性力和不均勻切削時時變的切削力。機床運轉時，由于強迫干擾諧振力引起主軸上工件或刀具切削部位的振幅等，使加工過程達不到預定的加工精度和表面質量[5]。

在機床設計方面，優化設計方法也得到了應用，取得了一定的成果。在國外，Michigan大學的T.jiang和M.Chiredast[6]在應用有限元法和動態分析的基礎上，提出一種數學模型來模擬機床結構的聯結形式，建立整機的模型并對機床結合面的聯接件的位置和數量進行優化設計。在國內，西安交通大學張波、陳天寧[7]等在ANSYS環境中建立了機床主軸部件的有限元動力學模型，并對主軸部件進行了靜、動態特性的計算和動態優化設計。他們建立了簡化的有限元動力學模型，在ANSYS中分析其前8階的模態頻率，確定動態優化設計的目標，然后設計和修改主軸的結構使之達到預期的動態特性。

隨著技術的進步，社會對機械零部件的加工精密度要求越來越高，深層次動態優化設計的應用空間也將越來越大。

3.3 在交通工具研究中的應用

隨著社會的進步，生活水平的提高，人們對交通工具的要求也越來越高，這體現在對交通工具乘坐舒適性、安全性、外觀的美觀性等。

目前，我國大力發展高速列車的研究和使用。據報道，2010年5月27日，新一代高速列車“和諧號”380A首輛車在長春下線，最高時速可達380km。對于高速列車這樣的復雜系統，傳統的動態優化設計方法已經失去了作用，深層次動態優化設計法成為了必然的理論基礎。

在汽車領域，汽車在行駛時，路面的不平度會引起汽車的振動。為提高汽車的平順性，減少其振動，一方面要改善路面質量，減少振動的來源；另一方面要求汽車對路面不平度有良好的隔振特性。車輛的減振一般有三個環節，即輪胎、懸架和座椅，其中，起重要作用的是由彈性元件和阻尼元件構成的車輛懸架系統。而車輛懸架系統是典型的非線性模型，只有利用深層次動態優化設計法才能建立其準確的模型。

4結論

本文對深層次動態優化設計理論的研究內容及意義進行了分析，并通過在振動機械、機床、交通工具等典型領域為例，介紹了深層次動態優化設計的應用現狀。

在過去的這些年里，深層次動態優化設計理論的研究已經取得了很大的進步，也有了很多比較成功的應用實例。但是科技是不斷向前進步的，對機械設備各方面性能的要求也越來越高，深層次動態優化設計理論依然有待于完善，其應用前景將會更加光明。

參考文獻

[1] 聞邦椿，韓清凱，姚紅良，等.產品的結構性能及動態優化設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2] 陳新，賈玉蘭，等.機械結構動態設計理論方法及應用[M].北京：機械工業出版社，1997.

[3] 李小彭.面向產品廣義質量的“1+3+X”綜合設計法及其應用研究[D].沈陽：東北大學，2005.

[4] 孫偉，韓清凱，聞邦椿，等.可視動態設計法在振動機械設計中的應用[J].第十一屆全國機械設計年會，機械設計，2005（增刊）：41-42.

[5] 傅曉錦.機床主軸多目標優化設計[J].機床與液壓，1999.6：51-52.

[6] T.Jiang，M.Chirehdest.A System Approach to Structural Topology Optimization[J].Designing Optimal Connections，1999（30）：521-523.

[7] 張波，陳天寧，等.數控機床主軸部件動態優化設計[J].機械設計，2004（5）：33-35.